Как работают светодиоды: Принцип работы светодиода и его устройство

Содержание

Как работает светодиод, устройство светодиода


Как работает светодиод
Устройство светодиодов
Как с помощью светодиодов получают разные цвета
Создание белого света с помощью светодиодов
Краткая история создания светодиодов  

Как работает светодиод

Как и любой диод, светодиод включает в себя один полупроводниковый р-п-переход (электронно-дырочный переход). С помощью процесса, носящего название легирование, материал n-типа обогащается отрицательными носителями заряда, а материал р-типа — положительными носителями заряда. Атомы в материале n-типа приобретают дополнительные электроны, а атомы в материале p-типа приобретают дырки — места на внешних электронных орбитах атомов, в которых отсутствуют электроны.

При приложении к диоду электрического поля электроны и дырки в материалах р- и n-типа устремляются к p-n-переходу. Когда носители заряда подходят к р-n-переходу, электроны инжектируются в материал p-типа. При подаче отрицательного напряжения со стороны материала n-типа через диод протекает электрический ток в направлении от материала n-типа в материал p-типа.

Это называется прямым смещением.

Когда избыточные электроны переходят из материала n-типа в материал p-типа и рекомбинируют с дырками, происходит выделение энергии в виде фотонов, элементарных частиц (квантов) электромагнитного излучения. Все диоды испускают фотоны, но не все диоды испускают видимый свет. Материал, из которого изготавливается светодиод, выбирается таким образом, чтобы длина волны испускаемых фотонов находилась в пределах видимой области спектра излучения. Разные материалы испускают фотоны с разными длинами волн, что соответствует разным цветам испускаемого света.

Пучок видимого света, испускаемого светодиодом, является холодным, но так как в светодиодах имеются потери, то на р-n-переходе

генерируется тепло, иногда достаточно большое. Ограничение температуры р-п-перехода с помощью правильно сконструированного теплоотвода и других методов контроля температуры является критичным для обеспечения нормальной работы светодиода, оптимизации его светового потока и повышения срока службы.

Устройство светодиодов

Существует два основных типа светодиодов: индикаторные и осветительные. Индикаторные светодиоды, например, 5-миллиметровые, обычно являются недорогими, маломощными источниками света, пригодными для использования только в качестве световых индикаторов в индикаторных панелях и электронных приборах, для подсветки дисплеев компьютеров или приборных панелей автомобиля. Осветительные светодиоды, представленные светодиодами поверхностного монтажа (SMD), высокой яркости (НВ) и высокой мощности (HP) — это надежные мощные устройства, способные обеспечить нужный уровень освещенности и обладающие световым потоком, равным или превосходящим световой поток традиционных источников света, например, КАЛ.

Все осветительные светодиоды имеют одинаковую базовую конструкцию. Они включают в себя полупроводниковый чип (или кристалл), подложку, на которую он устанавливается, контакты для электрического подключения, соединительные проводники для подсоединения контактов к кристаллу, теплоотвод, линзу и корпус.

(В некоторых светодиодах, например, в светодиодах TFFC, разработанных компанией Philips Lumileds, соединительные проводники не требуются.)

Так как индикаторные светодиоды являются маломощными, все генерируемое в них тепло рассеивается внутри самих светодиодов. Осветительные светодиоды, напротив, снабжаются корпусом для прямого припаивания к поверхности, что обеспечивает отвод тепла, генерируемого светодиодом. Хороший теплоотвод жизненно важен для обеспечения температурного режима и нормальной работы светодиода.

Как с помощью светодиодов получают разные цвета

Модель аддитивного смешения цветов применяется для света, непосредственно излучаемого световыми источниками. При смешении красного, зеленого и синего цветов получается белый цвет.

Светодиоды, изготовленные из разных полупроводниковых материалов, излучают свет разных цветов. Разные материалы испускают фотоны с разными длинами волн, что соответствует разным цветам видимого света.

В первых светодиодах использовались такие материалы, как фосфид галлия (GaP), тройное соединение AIGaAs и тройное соединение GaAsP.

Они создавали излучение от красного до желто-зеленого цвета. В настоящее время GaP, AIGaAs и GaAsP используются только для изготовления индикаторных светодиодов, так как большие токи, необходимые для получения излучения, и большое тепло, выделяющееся при работе светодиодов, изготовленных из этих материалов, значительно сокращают срок их службы.

Модель субтрактивного смешения цветов применяется к отражающим поверхностям, таким как поверхности, покрытые красками или чернилами. При смешении в равных пропорциях красного, зеленого и синего цветов получается черный цвет.

Для производства осветительных светодиодов используются новые материалы, способные выдерживать необходимые уровни тока, высокий нагрев и высокую влажность. В красных и янтарных светодиодах высокой яркости применяются полупроводники алюминий -индий — галлий (AlInGaP), в синих, зеленых и голубых — индий — нитрид галлия (InGaN).

Светодиоды, изготовленные из AlInGaP и InGaN, в совокупности перекрывают почти всю область спектра видимого излучения с промежутком в области зеленожелтого и желтого цветов. Корпоративные цвета с применением желтого (например, Shell или McDonald’s) трудно получить с помощью одноцветных светодиодов.

Одним из способов получения «сложных» цветов является совместное использование в одном осветительном приборе светодиодов разных типов.

Основные материалы для производства монохромных светодиодов. AllnGaP и InGaN покрывают почти весь спектр видимого излучения для светодиодов высокой интенсивности, кроме желто-зеленой и желтой областей спектра с длиной волны 550-585 нанометров (нм). Цвета, соответствующие этому диапазону длин волн, могут быть получены с помощью совместного использования зеленых и красных светодиодов.

Миллионы цветовых оттенков

Производители светодиодов обычно предлагают светодиоды различных цветов — синий, голубой, зеленый, янтарный, красно-оранжевый, красный и т. д. Самостоятельно светодиод может излучать свет только одного цвета, который определяется используемым в нем полупроводниковым материалом. Настоящее волшебство начинается тогда, когда в одном приборе объединяются светодиоды разного цвета.

Именно объединение светодиодов разного цвета в одном световом приборе, таком как светильник или многокристальный светодиод, и управление интенсивностью излучения светодиодов разного цвета и обеспечивает получение миллионов оттенков. Подобно телевизионному экрану или компьютерному монитору, полноцветный светодиодный прибор реализует цветовую модель RGB (R — красный, G — зеленый, В — синий). Цветовая модель RGB — это модель аддитивного смешения цветов, которая применяется для света, непосредственно излучаемого его источниками. (Модель субтрактивного смешения цветов применяется к отражающим поверхностям, таким как поверхности, покрытые красками или чернилами.)

На диаграмме слева показано цветовое пространство МКО 1931, разработанное в 1931 г. Международной комиссией по освещению (МКО) для определения всего диапазона, или гаммы цветов, видимых стандартным наблюдателем. Ни одно из устройств — телевизионный экран, монитор компьютера, светодиодный световой прибор и другие трехцветные устройства — не может воспроизвести все цвета, различимые глазом человека.

Гамма цветов, которую можно получить с помощью светодиодного светового прибора или многокристального светодиода, зависит от цветов отдельных красных, зеленых и синих светодиодов, используемых в них.

На диаграмме точки трех цветов отдельных светодиодов, используемых в трехцветном световом приборе, соответствуют вершинам треугольника. Теоретически прибор может воспроизвести любой цвет, соответствующей точкам внутри этого треугольника. На практике трехцветный светодиодный световой прибор обычно управляется цифровым контроллером и может воспроизвести определенное количество возможных цветов внутри треугольника. С помощью 8-битного трехцветного светодиодного прибора можно получить приблизительно 16,7 млн цветов (2563 цветов) — однако это количество уже превышает число цветов, которые человек способен различить в пределах данного цветового треугольника. (Цвета, лежащие вне границ цветового треугольника, могут быть различимы глазом человека, но световой прибор не сможет их воспроизвести.

)

Способность полноцветных светодиодных световых приборов излучать свет любого цвета без использования светофильтров и других внешних устройств в корне отличает светодиоды от других источников света. Совместное использование полноцветных светодиодных источников света с контроллерами освещения позволяет создавать как простые цветовые эффекты, так и полноцветные световые шоу и даже крупномасштабные видеодисплеи.

Создание белого света с помощью светодиодов

Существует два способа получения белого света с помощью светодиодов:

• Согласно цветовой модели RGB, белый цвет получается с помощью пропорционального смешивания красного, зеленого и синего цветов. При использовании метода RGB белый свет получается при объединении излучения красного,зеленого и синего светодиодов.

Люминофорные гии получения белого света предполагают использование одного светодиода коротковолнового излучения, например, синего или ультрафиолетового, в комбинации с желтым люминофорным покрытием. Фотоны синего или ультрафиолетового излучения, генерируемые светодиодом, либо проходят через слой люминофора без изменения, либо преобразуются в нем в фотоны желтого света. Комбинация фотонов синего и желтого цвета создает белый свет.

Белый свет может быть получен в результате объединения только желтого и синего цвета. Этот эффект открыл в начале 18 века Исаак Ньютон при выполнении экспериментов с цветами.

Метод RGB дает возможность создавать белый свет точного оттенка, имеющий способность подчеркивать освещаемые цвета. Однако для создания белого цвета RGB требуется сравнительно сложное оборудование, так как в одном источнике необходимо использовать сразу три светодиода. При этом получаемый свет неестественно передает пастельные тона, что является основным следствием низкого индекса цветопередачи белого света, полученного методом RGB.

Белые люминофорные светодиоды обеспечивают лучшую цветопередачу, чем белые RGB-светодиоды, в большинстве случаев сравнимую с люминесцентными источниками света. От белых RGB-источников света они также отличаются высокой энергоэффективностью. Именно высокая энергоэффективность и хорошая цветопередача делают люминофорные технологии предпочтительным способом получения белого света.

В процессе производства белых светодиодов на светодиодный кристалл наносится слой люминофора. Оттенок или цветовая температура белого света, излучаемого светодиодом, определяется длиной волны света, испускаемого синим светодиодом и составом люминофора.

Цветовая температура излучения светодиода зависит от толщины слоя люминофора. Производители стараются минимизировать цветовые вариации с помощью строгого контроля толщины и состава слоя люминофора. Компания Philips Lumileds использует защищенный патентом процесс изготовления светодиодов Philips LUXEON, излучающих холодный и нейтральный белый свет с высоким постоянством цвета.10

В настраиваемых световых приборах, позволяющих получать белый свет из определенного диапазона цветовых температур, используется принцип смешивания трех цветов. Эти приборы обычно содержат светодиоды холодного и теплого белого света, индивидуально управляемые по принципу, применяемому в полноцветных источниках света RGB. Регулирование относительной интенсивности холодного и теплого белого света изменяет цветовую температуру настраиваемого светового прибора по тому же принципу, как регулируется интенсивность излучения красных, зеленых и синих светодиодов полноцветного (RGB).

Краткая история создания светодиодов

Светодиоды, или светоизлучающие диоды, являются электрическими источниками света. Первый красный светодиод был создан в 1962 г. Ником Холоньяком (Nick Holonyak) в компании General Electric. Монохромные красные светодиоды в 60-е гг. прошлого столетия применялись для производства небольших световых индикаторов, используемых в электронных приборах. Хотя они испускали тусклый свет и имели низкую энергоэффективность, технология оказалась перспективной и стала быстро развиваться. В начале 70-х гг. появились зеленые и желтые светодиоды. Они использовались в наручных часах, калькуляторах, электронных приборах, в светофорах и указателях «Выход». Эффективность светодиодов по световому потоку постоянно увеличивалась, и к 1990 г. световой поток красных, желтых и зеленых светодиодов достиг значения I люмен (лм).

В 1993 г. Суджи Накамура (Shuji Nakamura), инженер, работающий в компании Nichia, создал первый синий светодиод высокой яркости. Так как красный, синий и зеленый являются тремя главными

составляющими света, теперь с помощью светодиодов можно было получить любой цвет освещения, включая белый. Белые люминофорные светодиоды — это светодиоды, объединяющие синий или ультрафиолетовый светодиод с люминофорным покрытием, впервые появились в 1996 г. В конце 90-х гг. светодиоды постепенно заменяют лампы накаливания там, где требуется окрашенный свет.

В 2000-2005 гг. уровень светового потока светодиодов достиг значения 100 лм и выше. Появились белые светодиоды с теплыми и холодными оттенками, подобными образуемым лампами накаливания, люминесцентными лампами и схожие с естественным освещением. Постепенно светодиоды составили конкуренцию традиционным источникам света и стали применяться в театральном и сценическом освещении.

В настоящее время светодиоды широко используются в различных системах общего освещения. По мнению Департамента энергетики (Department of Energy) и Ассоциации развития оптоэлектронной промышленности (Optoelectronics Industry Development Association), к 2025 г. светодиоды станут самым распространенным источником света в жилых домах и офисах.

История создания светодиодов

60-е гг.

1962 г. — Первый красный светодиод, разработанный Ником Холоньяком в компании GE.

Красные индикаторные светодиоды, выпущенные компанией HP из материалов производства Monsanto — 0,01 лм.

Первые зеленые и желтые светодиоды.

70-е гг.

1971    г. — Первые синие светодиоды.

1972    г. — Красные светодиоды со световым потоком 1 лм.

Светодиоды начинают использоваться в наручных часах, калькуляторах, светофорах и указателях «Выход».

80-е гг.

1984 г. — Достижения в области повышения эффективности по световому потоку: первые сверхъяркие красные светодиоды.

90-е гг.

1993 г. — Инженер компании Nichia Суджи Накамура создал первый синий светодиод высокой яркости.

1995    г. — Зеленые светодиоды высокой яркости.

1996    г. — Первый белый светодиод. Сверхъяркие красные и янтарные светодиоды.

Светодиоды начинают вытеснять лампы накаливания там, где требуется освещение окрашенным светом. Светодиоды устанавливаются в портативных светильниках.

1997    г. — Создание компании Color Kinetics.

1998    г. — Источники света RGB.

2000-е гг.

Белый свет, созданный с помощью светодиодов RGB.

Белый свет, созданный с помощью синего светодиода с люминофорным покрытием.

Первые «настраиваемые» светодиодные источники белого света. Светодиоды 10-100 лм.

2003    г. — Светодиоды широко применяются при проведении развлекательных мероприятий.

2004    г. — Светодиоды используются для акцентного освещения объектов.

2005    г. — Появляются светодиодные кластеры со световым потоком, превышающим 1000 лм.

2008 г. — Светодиоды используются в системах общего освещения. Увеличение количества производителей светодиодов (Nichia, Сгее, Osram, Lumileds, King Brite, Toyoda Gosei, Cotco)

LED — технология, принцип работы. Плюсы и минусы LED.

LED (Light-emitting diode) — технология, которая позволяет получить световое излучение в месте соприкосновения катода и полупроводника соединённого с анодом (электроны взаимодействуют с излучением фотонов при переходе через полупроводник на катод).

Для достижения всевозможных типов излучения, применяются различные типы полупроводников. Считается, что первый светодиод, излучающий в видимом диапазоне, был разработан в университете Иллинойса под руководством Ника Холоньяка («отец современного диода») в 1962 году. Но первое упоминание о подобном эффекте было ещё в 1907 году от Генри Раунда, экспериментирующего с различными материалами.

Светодиод был открыт случайно, когда во время экспериментов было обнаружено, что в определённых случаях при переносе заряда возникает свечение в видимом диапазоне. Позже были открыты диоды излучающие и в других спектрах. Развитие диоды получили лишь в середине 80-х, когда начали требоваться компактные и долговечные источники света для индикаторов, освещения и в тех местах где невозможно использовать лампы накаливания и лампы холодного катода. Диоды выгодно отличаются от них малыми габаритами, малым энергопотреблением, отсутствием необходимости особой подготовки напряжения, практически отсутствием нагрева, высокой выносливостью к ударам и перегрузкам.

Стоимость светодиодов постоянно падает из-за улучшения технологии и удешевления производства. Они применяются в карманных фонарях, прожекторах, фарах автомобилей, индикаторах, подсветках ЖК — матриц, телескопах, приборах ночного видения и многих других приборах.

У LED технологии есть несколько неоспоримых преимуществ в сравнении с другими источниками света:

  • · Способность выдерживать относительно тяжёлые условия эксплуатации (вибрации, небольшие удары, попадание воды, низкие температуры, давление).
  • · Низкое энергопотребление (примерно в 7-10 раз меньше чем у стандартных ламп накаливания) и высокий уровень КПД.
  • · Практически не содержат вредных для здоровья и окружающей среды соединений (в отличии от люминисцентных ламп и CCFL, которые содержат ртуть).
  • · Долговечность (в 70-80 раз выше чем обычные лампы с нитью накаливания, до 80 000 часов и до 2-х раз долговечнее ламп с холодным катодом).

Минусы LED технологии:

  • · Плохая переносимость высоких температур, что вызывает помутнение источника света и окружающего материала по причине распада полупроводника.
  • · Узкий спектр излучения (хотя в определённых случаях, это может быть и плюсом). Сейчас ведётся довольно успешная работа по расширению спектра для ЖК мониторов и ТВ.

Мировыми лидерами по производству светодиодов являются компании Philips и Osram (подразделение Siemens).

Также, активным изучением и производством светодиодов занимается немало известная TSMC.

Существует разновидность дисплейной технологии под названием OLED, диоды которой, излучают свет благодаря органическим соединениям. Применяются в сверх-контрастных и гибких экранах мобильных устройств, имеют великолепную яркость и контрастность, но имеют один существенный минус – малая долговечность. Каждый суб пиксель в OLED дисплеях это отдельный органический светодиод.

Что светится в светодиоде. Как устроены и работают светодиоды. Что такое р-n переход и зачем он используется в светодиоде

Я не очень люблю формулы. Как и любой нормальный человек:) Они вызывают у меня головную боль и желание кинуть что-нибудь в стену. Всю жизнь я старался держаться от них подальше. И ведь получалось. Но вот я заинтересовался светодиодами и понял — никуда не денешься. Чтобы получить нужный результат — нужно понимать — как это работает. Потихоньку, по шажку, начал я продираться сквозь дебри люмен, кандел, стерадиан. Постепенно в голове начала формироваться какая-то картинка. А заодно сожаление — ну почему некому это было объяснить простым доступным языком? Столько времени впустую… Попробую уберечь вас от головной боли и максимально доступно объяснить — что такое светодиод и как он работает. Ну и заодно пару законов оптики растолкую:)

Преимущества: малые габариты, низкое энергопотребление, низкое самоочищение, высокая надежность, их можно быстро включать и выключать, а также устойчивы к ударам и вибрации. Особенностями, которые иногда можно считать недостатками, являются узкий угол обзора, близкий монохроматический свет, ограниченный выбор длины волны, и они требуют ограничительного резистора с приводом напряжения.

Типичное значение максимального обратного напряжения составляет пять вольт. Конструкция и эксплуатация. Полупроводниковый материал, как правило, представляет собой очень маленький чип или матрицу, которая смонтирована на свинцовой раме и инкапсулирована в прозрачную или диффузную эпоксидную смолу. Форма эпоксидной смолы и количество диффундирующего материала в эпоксидной смоле регулируют угол испускания светового выхода на рисунке 1. Тем не менее, для удовлетворения ваших потребностей существует широкий выбор пакетов с прямым углом, мультипакетов и пользовательских пакетов.

Статья посвящена тем, кто путается в ваттах-канделах-люменах-люксах. Да и вообще в светодиодах. Написано продвинутым чайником для чайников начинающих:)


Обычный светодиод — с чем его едят

Первым полупроводником в истории был Иван Сусанин.

Как ни верти, а придется вначале коснуться законов обычного электричества. В наглядных примерах, конечно:) Все мы знаем — что такое 220 вольт — это то, что может как следует стукнуть, если не соблюдать меры предосторожности. Когда вы покупаете электроприбор, например, утюг — в паспорте написано, на какое напряжение он рассчитан. Обычно это 220 вольт. Но в этом же паспорте еще указаны такие параметры — переменное напряжение с частотой 50 герц. Зачем-то же производители упорно указывают эти параметры для вас? Возьмите в руки любой технический паспорт на электроприбор и посмотрите — там указано, что напряжение питания должно быть — ~ 220 вольт, 50 Гц. Давайте разберемся — что это такое. Значок «~» означает, что напряжение должно быть переменным. В автомобильной бортовой сети, например, напряжение постоянное. И у пальчиковой батарейки оно постоянное. Разница простая — у постоянного напряжения есть плюс и минус — у переменного нет. А почему нет? Все очень просто. В сети с переменным напряжением плюс и минус постоянно меняются местами. Один и тот же контакт — то плюс, то минус. Как часто? А вот для этого и существует еще одно значение — 50 Гц. Что такое Гц? Это одно колебание в секунду. То есть в нашей домашней сети плюс меняется с минусом пятьдесят раз в секунду. А теперь — какая практическая польза от этих знаний, какое это имеет оношение к светодиоду? Давайте разбираться. Предположим, у вас в руках лампочка на 220 вольт 100 ватт. Если вы ее включите в электрическую сеть — она засветится на все свои сто ватт. А если нам не нужны эти 100 ватт? А нужно, скажем, 50 Вт? В этом нам поможет ДИОД.

Если разбить слово «светодиод » на составляющие, то мы получим «свето » и «диод «. То есть это обычный диод, который еще и светится. Диод — это такой прибор, который лучше всего сравнить, например, с клапаном или ниппелем в автоколесе. Туда вы можете закачать воздух, а обратно — ниппель не пускает. Обычный диод выглядит как черный бочонок с двумя выводами — плюсом и минусом. Вот его мы и можем использовать для практических опытов, которые многим помогают закрепить материал. Конечно, опасно начинать опыты сразу с 220 вольтами, но при должной осторожности ничего страшного не произойдет. Тем не менее, все опыты вы проводите на свой страх и риск:) Нам понадобится лампочка от холодильника на 220в, 15 Вт. Для нее нужно найти подходящий патрон и вывести из него два провода. Затем нам понадобится любой диод, который можно добыть, например, из любого неисправного телевизора или магнитофона. Чем больше он будет размером — тем лучше. Совсем маленькие брать не надо — 220 вольт все-таки. Возле него обычно есть обозначение в виде треугольника.
Затем нам понадобится сетевой шнур с вилкой, некоторое количество проводов и паяльник. Для начала просто подсоедините лампочку к сети и запомните — как она светится. Затем отсоедините и соберите цепь по схеме слева. Не забудьте тщательно заизолировать изолентой все соединения. Включайте в розетку. Как видите, лампочка светит гораздо хуже. Это и неудивительно — она теперь получает только половину нужного ей напряжения — вторую диод не пускает. Если опыт у вас удался, а диод достаточно большой — вы теперь можете сделать любую свою лампочку пратически вечной. Например, светит у вас в коридоре лампа на 50 ватт и постоянно перегорает. Возьмите 100 ваттную, включите ее через диод — светить она будет примерно как 50 ватт, зато не будет перегорать. Есть, правда, один нюанс — диод должен быть расчитан на напряжение 350-400 вольт и ток не менее ампера. Лучше всего купить такой в магазине радиодеталей.

Канделя определяется как количество люменов на стерадиан телесного угла. Он обычно измеряется вдоль проекционной оси устройства и дает ответ глаза на свет. Когда электрический ток проходит через переход в прямом направлении, электрические несущие дают энергию, пропорциональную прямому падению напряжения на диодном переходе, который испускается в виде света. Поскольку устройство используется в прямом смещенном режиме, как только наложенное напряжение превышает прямое напряжение диода; ток через устройство может расти экспоненциально.

Ну, раз мы разобрались с тем, что такое диод, есть смысл перейти к интересующей нас теме — светодиоду . У светодиода, как теперь понятно, тоже есть плюс и минус. То есть для его работы нужен источник постоянного напряжения — аккумулятор, батарейка, блок питания. На блоке питания должно быть указано, что он выдает постоянное напряжение (DC). Обычно на крышке блока есть наклейка такого содержания.
Input — ~220V 50HZ,
output — 12v, 0,5 A DC
Это значит, что такой блок может выдать постоянное напряжение 12 вольт и ток 0,5 ампера.
Отметим, что зарядное устройство для сотовых телефонов — это тоже блок питания. Оно обычно имеет параметры 5-6 вольт, 0,2-0,5 А. Зачастую его очень удобно использовать для питания светодиодов, потому что зарядное устройство стабилизирует ток. Но об этом позже, в следующих статьях.
Нам важны два параметра — рабочее напряжение светодиода и ток. Рабочее напряжение светодиода называют еще «падением напряжения». В сущности, этот термин обозначает, что после светодиода напряжение в цепи будет меньше на размер этого самого падения. То есть если мы подадим питание на светодиод , у которого падение напряжения 3 вольта, то он эти три вольта сьест, и включенному после него в эту же цепь прибору достанется на 3 вольта меньше. Но самое главное, что нужно усвоить — светодиоду важен ток, а не напряжение. Напряжения он возьмет столько, сколько ему нужно, а вот тока — сколько дадите. То есть если ваш источник питания может выдать 10 ампер — светодиод будет брать ток, пока не сгорит. Логика тут простая — подключенный светодиод потребляет ток и начинает греться. Чем сильнее он греется — тем больше тока через него может пройти — он же от нагрева расширяется. Вместе с током растет падение напряжения на диоде. И так пока не сгорит совсем — ток-то никто не ограничил. А делать это надо обязательно, используя ограничивающий элемент.
Отметим, что если источник питания имеет выходное напряжение, равное рабочему напряжению светодиода — ток ограничивать необязательно. То есть если у вас есть, например, белый светодиод и аккумулятор на 3,6 вольт от сотового телефона — можете прямо к этому аккумулятору и подключить — ничего светодиоду не будет. Он и рад бы побольше тока хапнуть — а напряжения не хватает. Так что аккумулятор от сотового на 3,6 в — идеальный источник питания для экспериментов с белыми и синими светодиодами. Почему только с ними — об этом в других статьях.
В общем, последовательно со светодиодом нам нужно поставить этакий кран и закрутить его на нужное нам значение. В роли такого крана могут выступать разные приборы. Самый простой из них — резистор. Как правильно ограничить ток светодиода говорится в моей статье . А мы пойдем дальше. Правда, если вам неинтересно, как работает светодиод, а всего лишь хочется узнать о его практическом применении — лучше перейти в конец страницы и выбрать другую часть «Для чайников» . Но если вы твердо намерены узнать о твердотельных источниках света «с азов» — продолжим знакомство;)

Принцип действия светодиодных ламп

По мере изменения тока выход света будет меняться аналогичным образом. Эта корреляция получается путем установления комбинаций пикового тока и ширины импульса для различных скоростей обновления и поддержания максимальной температуры перехода, достигаемой при работе при максимальном непрерывном токе. и максимальный номинальный ток. контролируя ток до правильного значения для конкретного устройства. Наиболее распространенной схемой для этого является источник напряжения, который значительно выше, чем падение напряжения в прямом направлении диода и последовательный резистор ограничения тока.

Оптические аспекты использования светодиодов

«Существует достаточно света для тех, кто хочет видеть, и достаточно мрака для тех, кто не хочет»
Б. Паскаль
Предположим, мы научились подключать светодиод и ограничивать его ток. Встает вопрос — а насколько сильно он светит? Тут нам придется немного окунуться в оптику.
В числе свойств светодиодов, особенно мощных, часто указывается тип распределения света. Обычно это так называмая Ламбертовская диаграмма . Дальше мы ее и будем рассматривать как самую распостраненную. Что этот термин обозначает? «Ламбертовский» светодиод светит во все стороны одинаково, независимо от направления. Если бы светодиод был шариком, он бы во все стороны светил одинаково — вот суть диаграммы Ламберта. Чтобы было понятно- солнце — это ламбертиановский источник. Стандартная конструкция светодиода — кристалл, тонкая пластинка, которая светится. Посмотрите в прозрачное окошко светодиода — и вы этот кристалл увидите. К нему идут тоненькие проволочки контактов. Если подключить воображение, то можно представить свет, идущий от светодиода, как сферообразное облако, висящее над ним. Свет — это же маленькие частички, называемые фотонами. Значит, над светодиодом висит шарик, наполненный фотонами. И чем больше света испускает светодиод — тем больше шарик, тем дальше летят фотончики, толкая и вытесняя друг друга. Больше всего их летит вверх перпендикулярно плоскости кристалла, поэтому максимальная сила света светодиодов — 90 градусов относительно горизонтальной оси. Надеюсь, теперь вам стали более понятны диаграммы, которые приводят производители светодиодов:) Чтобы стали совсем уж понятны — давайте рассмотрим пример.
Примем, что есть светодиод , вверху которого висит излучаемая им световая сфера диаметром 1 метр (хор-роший светодиод! :)).
Нижняя шкала — это расстояние до верхушки этого метра, верхняя — градус излучения. В соответствии с этой диаграммой больше всего фотонов — на оси с градусом 0. Чем дальше отклонение от оси и чем больше расстояние от кристалла — тем меньше плотность фотонов. Нужно также не забывать, что свет — это волна, не зря же для характеристик указывают длину волны. Соответственно, нашу световую сферу можно представить как электромагнитное поле с определенной плотностью. Но это уже дебри — пойдем дальше:)

Угол половинной яркости

Производитель обычно указывает такой параметр, как двойной угол половинной яркости. Что означает этот термин? Как мы выяснили, максимум света светодиод дает в центре, то есть угол равен нулю. Соответственно, чем дальше от центра, тем меньше света. Угол половинной яркости — это когда на «0» градусов светодиод дает 100 условных единиц света, а, например, на 30 градусах (относительно оси «0») — 50. На рисунке I — сила света, Imax — максимальная сила света. ImaxCos — половина силы света. Почему «двойной» — умножаем градусы на два, светодиод же симметрично светит. В итоге мы получаем симпатичный равнобедренный треугольник света. За пределами этого треугольника тоже свет есть, но точка отсчета для характеристики светодиода — это половинный угол.

Кандела

Теперь можно рассмотреть, что же такое Кандела . Кандела — это, по старому, «свеча». Помните, раньше говорили — люстра или лампа в сто свечей? В прежние времена нужна была какая-то точка отсчета. Договорились взять нужной толщины свечку, зажечь и считать ее эталоном, этим самым канделом. В наши времена, конечно, считают по-другому. Я не буду подробно объяснять — как, это за рамки статьи уже выходит. Просто есть единица измерения силы света, и она называется Кандела. Ее основная особенность — применение для измерения силы света направленных источников . Вот почему для 5 мм светодиодов значения указываются в канделах, точнее, милликанделах (1 cd=1000 mcd).
Пришло время разобраться, чем 5 мм светодиоды или любые другие в пластиковом корпусе отличаются от мощных.

Особенности конструкции индикаторных 5 мм светодиодов

Как уже говорилось выше, светодиод — это излучающий свет кристалл. Рассмотрим конструкцию светодиода в 5 мм пластиковом корпусе. При внимательном рассмотрении мы обнаруживаем две важных вещи — линзу и рефлектор . В рефлектор помещается кристалл светодиода. Этот рефлектор и задает первоначальный угол рассеивания. Затем свет проходит через корпус из эпоксидной смолы. Доходит до линзы — и тут начинает рассеиваться по сторонам на угол, зависящий от конструкции линзы. На практике — от 5 до 160 градусов. Для обозначения силы света таких светодиодов как раз и используется кандела . Светодиоды с направленным свечением излучают свет в некотором телесном угле. Чтобы понять, что такое телесный угол, достаточно представить следующую картину. Вы берете фонарик, включаете и помещаете его в пожарное ведро в самый низ, затем закрываете крышкой. Свет внутри, соответственно, имеет вид объемного конуса по форме нашего ведра. Вот этот конус, ограниченный крышкой — и есть телесный угол. Попробую объяснить смысл распределения света попроще. Допустим, сила света нашего фонаря — 1 кандела, то есть 1000 милликандел (чтобы было более образно, можно считать милликанделы фотонами:)) Если и дальше идти по аналогии, у нас есть полное ведро милликандел. Объем ведра при желании можно вычислить — добро пожаловать в геометрию:) Соответственно, если мы возьмем ведро в два раза больше — милликанделы равномерно по нему распределятся, то есть больше их не станет, просто снизится плотность. Поэтому не гонитесь за канделами, когда выбираете светодиод — чем шире его угол, тем меньше кандел — у одного и того же. Во всех этих объяснения можно найти ответ на сакральный вопрос — сколько надо светодиодов, чтобы заменить стоваттную лампочку. Об этом — далее.

Особенности конструкции мощных светодиодов

В отличие от индикаторных светодиодов, мощные — это не только прибор, но и маркетиновый продукт. На сегодняшний день между крупными производителями происходит настоящая гонка за люмены — кто больше? И никого не волнует, что люмены эти надо еще применить. Давайте по порядку.
Основное отличие мощного светодиода от индикаторного в чистом виде — сведение к минимуму каких-либо препятствий для выхода света из корпуса светодиода. Поэтому мощные светодиоды имеют ламбертовскую диаграмму . К чему это приводит на практике? Вы включаете светодиод и получаете симпатичный световой шарик над ним. И что дальше делать? Как им осветить нужную вам поверхность? Очевидно, что нужно сделать поуже угол излучения. Вам приходится применять различную оптику или рефлекторы, что неизбежно ведет к потерям, а значит и снижению светового потока. Поэтому, если, купив мощный светодиод, вы не обзавелись хорошей оптикой, причем рассчитанной именно на его конструкцию — рано радуетесь — головная боль еще впереди. Доставить нужные вам люмены до поверхности, которую нужно осветить — непростая задача. Впрочем, если вам просто нужно осветить помещение — можно обойтись и без оптики — достаточно рассеивателя.

Люмен

Как вы уже поняли, канделы для оценки силы света мощных светодиодов не подходят. Для этого существуют люмены — это общее количество света, которе может дать светодиод при подключении с заданными значениями тока и напряжения. Помните аналогию про пожарное ведро? Здесь она тоже подходит. Будем считать, что если светодиод имеет силу света 100 люмен — то в нашем ведре будет 100 люмен. Обычная электрическая лампочка на 100 Вт — это тоже ламбертовский источник. Средняя светоотдача этой лампочки — 10-15 люмен на ватт. То есть 100 ватт лампы накаливания дадут нам, скажем, 1000 люмен. Значит, чтобы заменить лампу 100 вт светодиодами, нужно 10 шт по 100 люмен. Вот так вот все просто? Нет, к сожалению. Мы подходим к такому термину, как ЛЮКС.

Люкс

Люкс — это соотношение количества люмен и освещаемой площади. 1 люкс — это 1 люмен на квадратный метр. Допустим, у нас есть квадратная поверхность площадью один метр. Вся она равномерно освещена лампочкой, расположенной на некотором расстоянии отвесно сверху. Для этой лампочки производитель заявил освещенность 100 люкс. Берем прибор, называемый люксметр и померяем в любой точке нашего квадрата, мы должны получить 100 люкс. Если это так — производитель нас не обманул. Это касается источника света, который во все стороны светит одинаково (ламбертиановский источник). Но светодиод наибольшую силу света имеет на оси, перпендикулярной плоскости кристалла. Иными словами, подвесив светодиод на потолок и померяв люксметром, мы увидим, что чем дальше от оси, тем меньше показания прибора. Все вы наверняка сталкивались с точечными лампами накаливания — это так называемые «зеркалки». Задняя часть колбы у этих ламп покрыта зеркальным составом, и светят они только вниз. Вот вам и аналог.

Особенности практического применения светодиодов — в следующей статье .

На следующей диаграмме показаны несколько конфигураций. рассеяние мощности. В настоящее время существует два подхода к созданию белого света. Аналогично, так называемые люминесцентные лампы используют три люминофора, каждый из которых излучает относительно узкий спектр синего, зеленого или красного света после приема ультрафиолетового излучения от ртутной дуги в ламповой трубке.

Оставшийся синий свет, смешанный с желтым светом, приводит к белому свету. Новые люминофоры разрабатываются для улучшения цветопередачи, как показано на рисунке. Рождество сейчас не за горами, и вы празднуете это или нет, вы, возможно, уже начали видеть, что рождественские огни начинают появляться, украшая дома и рождественские елки. Как эти огни действительно работают, и как их можно заставить создавать такой массив цветов? На этом графике рассматривается химия.

Пожелания и замечания приветствуются на форуме http://ledway.ru или по электронной почте

Перевод милликандел (mcd) в люмены (lm) Перевод люмен (lm) в милликанделы (mcd)

Если мы переведем с английского словосочетание light emitting diode (сокращенно LED), то получим красивое и романтичное предложение: «Диод, излучающий свет». Так что же это такое? Это такой полупроводниковый девайс, как сейчас модно говорить, который трансформирует привычный нам электрический ток в то самое излучение светом. Светодиод творит чудеса и, в какой-то мере, получается.

Прежде чем обсуждать это, давайте начнем с основ. Слои «легируются» примесями, т.е. смешиваются атомы элементов, отличных от исходных в полупроводниковом материале. Когда электроны и электронные «дыры» объединяются, энергия высвобождается, и это воспринимается как видимый свет. Хотя это и объясняет, как создается свет, нам нужно немного подробнее изучить, что происходит, чтобы объяснить, как можно получить различные цвета.

Как вы можете видеть на графике, существует не только один материал, используемый для всех разных цветов, но и целый ряд возможностей. Они имеют много преимуществ по сравнению с традиционными луковицами: они дольше по сравнению с обычными лампочками, и они более энергоэффективны, требуя меньше энергии для испускания того же количества света.

Но так было не всегда. На первых этапах развития, мир светодиодов был ограничен и они использовались как показатель индикации. Но технологии не стоят на месте, и есть прогнозы экспертов, которые говорят что светодиод в ближайшие два десятилетия полностью вытеснит привычные нам лампы накаливания и даже энергосберегающие лампы.

Светоизлучающий диод представляет собой полупроводниковое устройство, излучающее свет на определенной длине волны. Пломба заключена в пластиковый или керамический корпус. Корпус может содержать один или несколько штампов. Это относится к технологии, в которой свет излучается твердотельной электролюминесценцией, в отличие от ламп накаливания.

Сочетание «синих» и «желтых» фотонов приводит к белому свету. Энергоэффективность — все это ярость с полным основанием. Тем не менее, они являются для многих загадкой, так как их внутренняя работа немного отличается от стандартных лампочек. При электрическом токе диод излучает яркий свет вокруг маленькой лампы. Как правило, диоды использовались во многих технологиях, таких как радиоприемники, телевизоры и компьютеры, в качестве электрического компонента для проведения.

Как и из чего сделан?

Светодиод имеет корпус с выводами для контактов, внутри его есть подложка с кристаллом из полупроводника и оптической специальной системой. Раньше светодиоды были более массивными, когда применялись для обозначения работы приборов при индикации. А теперь же светодиод – миниатюрное устройство, которое радует глаз и даже кошельки потребителей.

Подключение диода к электрическому току возбуждает электроны внутри диода, заставляя их высвобождать фотоны, которые мы видим как свет. Цвет света является прямым следствием энергетической щели в полупроводнике диода. При замене лампочек на несколько осветительных приборов идея потратить сотни долларов на лампочки отпугивает многих потенциальных клиентов.

Холцер изучал английскую литературу в Калифорнийском государственном университете, Фуллертон. Диод — это особый тип полупроводника, который имеет много применений. Один из принципов, однако, заключается в том, чтобы контролировать направление потока электроэнергии. Это просто причудливый способ сказать «магия». 😉. На самом деле, хотя, в простых выражениях, подумайте, что доктор Пеппер может разделяться посередине. С одной стороны, вы создали полупроводниковый материал, в который вы добавили примеси, чтобы он содержал отрицательно заряженные носители; в основном изобилие электронов.

Как это работает?

Чтобы понять, как работает светодиод, давайте взглянем на это устройство более внимательно. Перед нами прибор с дырочным электронным р-n переходом, производящий при проходе через него тока оптическое излучение, которое мы и видим. Может быть и немного иной принцип работы светодиода: используется взаимодействие «металл с полупроводником».

С другой стороны, вы сделали то же самое, за исключением того, что вы вводили примеси, содержащие положительно заряженные носители; в основном думают об этом, как пучок дыр, которые нуждаются в заполнении электронами. Здесь происходит вся магия. Оказывается, обычный ток будет перемещаться с одной стороны на другую, но не любит идти в противоположном направлении. Итак, как эти диоды модифицированы для производства света? Ну, оказывается, что их действительно не нужно модифицировать, чтобы создать форму светового излучения.

Тем не менее, стандартные диоды, как правило, состоят из материалов, которые поглощают большую часть излучаемого света и, что более важно, имеют тенденцию не выделять свет в видимой для человека форме. Во время этого процесса электроны в конечном итоге меняют свое состояние. Во время этого изменения состояния выделяется фотон. Более конкретно, что происходит, поскольку электроны движутся вокруг орбиты ядра атома, электроны с разными орбитами имеют разное количество энергии.

Что такое р-n переход и зачем он используется в светодиоде?

Этот переход является «изюминкой» в электронике на основе полупроводников. Это некий сплав двух полупроводников, которые имеют, однако, отличные друг от друга типы проводимости (так называемый «п-тип», где имеется излишнее количество электронов, а другой «дырчатый» тип – «р- тип», где есть излишнее количество дырок). Фокус заключается в том, что если провести так называемое «прямое смещение», то есть подсоединить к р-n переходу прямой электрический ток (плюсовой контакт к р-части), то через р-n переход побежит желанный нам электрический ток.

Электроны с орбитами, расположенными дальше от ядра, имеют большую энергию, а те, которые ближе друг к другу, имеют меньшую энергию. Поэтому для того, чтобы электрон изменил свою орбиту, ему нужно либо потерять энергию, либо получить энергию. Чем больше энерговыделение, тем выше частота светового фотона, тем самым изменяя цвет. Если нет, например, когда выдается в инфракрасном спектре, вы не увидите его.

Свет в стандартном диоде имеет атомы, расположенные так, что энергия электрона падает очень коротко и, следовательно, частота света, выделяемого, не видна нашим глазам, а находится в инфракрасном диапазоне. Это отличается от таких вещей, как выбросы света из-за высокой температуры, которая называется накаливанием; или свет через некоторую химическую реакцию, которая называется хемилюминесценцией; среди прочего. Однако он также обладает другими основными преимуществами, такими как широкий выбор цветовых температур, компактных и небольших размеров, а также широкий спектр контроля, а также многие другие факторы.

Что происходит дальше в корпусе светодиода после того, как после «прямого смещения» через р-n переход побежал ток? Происходит сплавление носителей различных электрических зарядов – в нашем случае речь идет о дырках и электронах. Последние, имеющие отрицательный заряд, «паркуются» в своих противоположностях – заряженных со знаком плюс ионах полупроводника (его кристаллической решетки). Как же получается свет? Вот от этого процесса все и происходит во время работы устройства. А точнее, когда сталкиваются электрон и дырка, то производится определенная энергия: квант света под названием «фотон».

Почему это самый предпочтительный выбор для электрического освещения и бытовой техники сегодня? Когда это было впервые изобретено, все еще очень дорого сделать, очень неэффективно и может излучать только небольшой выход света. Как свет, так и электричество — это формы энергии, и, как мы понимаем, энергия не рассеивается, а скорее будет превращаться в другую форму энергии.

Что на самом деле происходит в активном регионе

На рисунке выше приведена диаграмма активности электронов при прохождении электрического тока. Когда электроны движутся по диоду, они будут выделять энергию в виде фотонов. Таким образом, когда зазор достаточно широк, частота фотонов может быть видна как свет для человеческого глаза. Как уже упоминалось в разделе выше, размер зазора также будет определять цвет излучаемого света.

Всегда ли неизменен этот принцип работы прибора? Нет. Дело в том, что р-n переход не обязательно излучает требуемый свет. В работающей области светодиода ширина запрещенной зоны обязана быть близка к энергии квантов света видимого диапазона. Также вероятность излучения при соединении пар электронов и дырочек обязана быть довольно высокой.

Как работает данная технология?

Электроны невидимы для человеческого глаза, и их движение вызывает меньше возмущений по сравнению с движениями газа, обнаруженными в люминесцентных лампах, как мы обсуждали в нашей предыдущей статье. Это относительно простой процесс по сравнению с теми, которые имеются в других альтернативах, где весь материал или химическое вещество должны быть полностью изменены. В некоторых альтернативах источника света изменение цвета может быть просто невозможным.

Полупроводники не требуют времени прогрева, обычно встречающегося в более старой трубчатой ​​технологии, и могут выдерживать частое циклическое включение. Эта функция теперь широко используется в интеллектуальных системах управления и новых интеллектуальных лампочках.

Кристалл полупроводниковый в этом случае должен быть бездефектным, или быть, если это невозможно, мало дефектным. Потому что как раз из-за дефектов кристалла не происходит изучение света. Одно, получается, противоречит другому.

Если светодиод нужен рабочий, то работает рационализаторская жилка. Например, приходится производить многослойные полупроводники более чем с одним р-n переходом в кристалле. Речь идет о таком понятии как гетеро структура, которая стала объектом пристального внимания российского физика Жореса Алферова (он — Лауреат ленинской премии, плюс директор Физико — Технического института им. А.Ф. Иоффе). В 2000 м году ему была присуждена Нобелевская премия за работы в области гетеро структур.

Регулировка яркости свечения светодиодов

Все еще используете старые люминесцентные лампы или лампы накаливания? Результатом более низкой стоимости в течение длительного периода времени. Нравится вам это или нет, пришло время двигаться дальше. Конечно, не все обнимают эти лампочки следующего поколения. Некоторые удивляются, почему нам нужен мандат, чтобы использовать их, если они так велики. Дело в том, что через более чем столетний период накануне мы присоединились к ним. Они «дешевы», они тускнеют предсказуемо, и они излучают теплое и знакомое свечение.

Как и всякое высоко-технологичное устройство, светодиод имеет не один тип корпуса, но мы рассмотрим стандартный. Обычно кристалл «прячется» в 5 миллиметровый корпус, где сверху идет линза, а снизу рефлектор. Анод и катод – это два традиционных вывода светодиода. Параболический отражатель – рефлектор из алюминия располагается на катоде. Если присмотреться к рефлектору, то он напоминает чашку, на днище которой и помещают кристалл, излучающий свет.

Отлучение от них нелегко: точно так же, как 40-и 60-ваттный поэтапный отказ вступил в силу 1 января, около половины Двухмиллиметровые розетки для луковиц на корпусе по всей стране по-прежнему содержат лампы накаливания. Большинство из нас, вероятно, купит галогены, даже не заметив.

Приблизительно за доллар за штуку они дешевы, и они выглядят, чувствуют и функционируют почти так же, как традиционные накаливания. Здесь находится учебник, в котором рассматриваются ваши проблемы и вы можете ориентироваться в ослепительном множестве вариантов.

Рабочий элемент в нашем случае – монокристалл из полупроводника, в светодиоде используется как кубик (чип) с параметрами 0,3х0,3х0.25 мм. Этот монокристалл несет в себе омические контакты и р-n переход или гетеропереход. Кусочек золотой проволоки является тем мостиком, что соединяет кристалл с анодом.

Корпус светодиода прозрачен, сделан из полимера, и он не избегает работы: это еще и фокусирующая линза! Вкупе с рефлектором. Корпус светодиода совместно с рефлектором и детерминируют угол излучения.

Цветность и яркость

Мощные светодиоды, как правило, яркие, сильные в излучении, а для яркости важна степень прозрачности n-области (пленки полупроводников практически прозрачные и очень тонки). Цвет и частота излучения прямо связаны с энергией фотонов и на эти параметры влияют те материалы, из которых сделаны полупроводниковые р-п переходы. К примеру, монкристалл GaAs производит инфракрасный луч. Но если произвести небольшое добавление А1 или Р, то светодиод поменяет в итоге свое излучение на красный цвет. А вот GaP производит свет зеленый. Если мы желаем получить желтое излучение светодиода, то тогда в дело идет р-n переход с композицией А1InGaP.

Насколько энергоэффективен светодиод?

Светодиод не отличается «прожорливостью» в плане потребления электроэнергии. При токе 10-30 мА и напряжении 2-4 В расходуется от 20 до 120 мВт. Принцип экономии здесь соблюдается отлично: традиционная лампа накаливания небольших размеров «кушает» 12 В, и ток ей нужен уже 50-100 Ма.

А какова ваша сила, господин светодиод?

Производство светодиодов расширяется, и производители стараются, чтобы каждый светодиод максимально полно удовлетворял потребности клиента. Например, есть мощные светодиоды и все большая потребность в них. Как это достигается? Три в одном, говоря рекламным языком. Чтобы поднять мощность, в единый корпус устанавливают не один, и не два, а несколько кристаллов одного цвета, чтобы они излучали свет одновременно.

Повышенная мощность светодиодов достигается чаще всего четырьмя такими кристаллами в одном корпусе.

Ультраяркость

Чтобы достичь яркой работы светодиодов, выпускаются так называемые «ультраяркие» экземпляры. Мощность ультраярких светодиодов доходит до 60 мВт (это где-то 1/16 вт) и если для работы их поместить в средний по размерам корпус, то для мощной хорошей подсветки будет необходимо их установить от 15 до 20 штук.

Действительно, «суперяркий» средний светодиод несет в себе мощность в 240мВт (это 1/4 Вт) и чтобы получить нормальную подсветку светодиода (в не самом большом, но и не маленьком) корпусе нам потребуется от 4 до 8 штук светодиодов. Очень мощные светодиоды – это такие, у которых мощность отсчитывается уже от одного Ватта, и это весьма эффективные светодиоды, потому что буквально одним или двумя такими штуками можно спокойно подсветить весь корпус.

Где используют светодиоды

В современном мире светодиод занял важное место. Они красуются там, где нужна локальная подсветка. Интенсивность ее при помощи светодиодов можно регулировать от яркой до своей противоположности — тусклой. Светодиоды хорошо справляются с созданием праздничной атмосферы, особенно это актуально сейчас, в преддверии Рождества и Нового Года. Переливаясь самыми разными оттенками, они радуют взрослых и детвору своими яркими красками. Для работы светодиодных фонарей, бегущей рекламной или информационной строки опять же светодиод – оптимальное решение.

Наконец, светодиод вовсю уже помогает нам упорядочить все нарастающий хаос в автомобильном и пешеходном движении в городах и поселках. Светодиоды «пашут» в еще одной сфере: дорожное регулирование, где используются в работе светофоров.

Основное достоинство светодиодов — это их способность производить свет, потребляя при этом сравнительно малое количество энергии. Именно поэтому светодиоды интенсивно исследуются и совершенствуются, находят все более широкое применение в самых различных сферах. Иными словами, Господин Светодиод уверенно шагает по нашей планете и ему уступают дорогу как важному и полезному гостю.

Михаил Берсенев

Сравнение мощного светодиода с галогенной лампой:

Все о светодиодах.

Что такое светодиод?

Светодиоды образуют неотъемлемую часть в современной электроники, простые показатели для оптических коммуникационных устройств. Светоизлучающие диоды используют свойства р-п перехода и испускают фотоны, когда ток в прямом направлении. Светодиоды специально излучают свет, когда потенциалы приложены к аноду и катоду.

История светодиодов начинается с 1907 года, когда капитан Генри Джозефа наблюдал особенности электро-люминесценции карбида кремния.  Первый светодиод был разработан в 1962 году. Он был разработан Холоньяк, работал в General Electric (GE). Это был GaAsP устройства. Первая коммерческая версия светодиодов пришли на рынок в 1960-х годов.

Изготовление светодиодной технологии произвела бум в 1970-е годы с введением арсенида галлия алюминия (GaAlAs). Эти светодиоды высокой яркости и во много раз ярче, чем старая рассеянного типа. Синие и белые светодиоды были введены в 1990 году, в котором используется индия нитрида галлия (InGaN) в качестве полупроводника. Белый светодиод содержит неорганический фосфор. Когда голубой свет внутри светодиода попадает на люминофор, он излучает белый свет.

Что делает светодиод идеальным?

Светодиоды широко используются в электронных схемах из-за его преимущества по сравнению с лампами. Некоторые важные особенностями являются:

  • Светодиоды заключены в пластик, так что они могут выдерживать механические удары.
  • В отличие от ламп, светодиоды не выделяют тепло и потери мощности при нагреве практически отсутствует.
  • Светодиоды требуют очень низкий ток и напряжений обычно 20 мА при 1,8 вольта. Так что это идеально в схемах с батарейками.

Что находится внутри светодиода?

Внутри корпуса LED, есть две клеммы связаны маленький чип изготовлен из галлия соединения. Этот материал обладает свойством излучения фотонов при переходе P-N смещен в прямом. Различные цвета создаются выбиванием основного материала из другого веществама.

Внутри светодиода

Светодиодная технология

Яркость является важным аспектом LED. Глаз человека имеет максимальную чувствительность к свету около 550 нм в области желто — зеленой части видимого спектра. Именно поэтому зеленый светодиод излучается ярче, чем красный светодиод, хотя оба используют тот же ток. Важные параметры светодиодов являются:

  • Световой поток
    Указывает на энергии света, исходящего от светодиодов. Он измеряется в Люмен (лм) или Милли просвет (MLM)
  • Световая интенсивность
    светового потока, охватывающий большую площадь является силой света. Он определяется как Кандела (кд) или милли Кандела (MCD) Яркость светодиода напрямую связана с его силой света.
  • Светоотдача
    Это испускаемых относительной световой энергии к потребляемой мощности.Она измеряется в терминах люмен на ватт (лм Вт).

Прямой ток, прямое напряжение, угол обзора и скорость реагирования это факторы, влияющие на яркость и эффективность светодиодов. Прямой ток (I) является ток, протекающий через светодиод, когда он смещен в прямом направлении и он должен быть ограничен от 10 до 30 миллиампер, если выше то светодиоды будут уничтожены.

Угол обзора составляет от — угол оси, при котором световая интенсивность падения до половины осевого значения. Вот почему индикатор показывает больше яркости в полном объеме состоянии. Высокие яркие светодиоды имеют узкий угол обзора, так что свет фокусируется в пучок. Рабочее напряжение (V) является падение напряжения на светодиоде. Падение напряжения в диапазоне от 1,8 В до 2,6 вольт для обычных светодиодов, но в голубой и белый он будет идти до 5 вольт.  Скорость отклика представляет, как быстро светодиод включается и выключается. Это очень важный фактор, если светодиоды используются в системах связи.

Требуется ли балластный резистор?

Светодиоды всегда подключены к источнику питания через резистор. Этот резистор называют «балластный резистор», которая защищает диод от повреждений, вызванных избыточным током. Он регулирует прямой тока на светодиод для безопасного предела и защищает ее от жжения.

Номинал резистора определяет прямой тока и, следовательно, яркость светодиодов. Простое уравнение Vs — Vf — используется для выбора резистора. Vs представляет входное напряжения цепи, Vf прямое падение напряжения светодиода(ов) при допустимом токе через светодиод. Полученное значение будет в Омах. Лучше ограничить ток до безопасного предела 20 мА.

Приведенная ниже таблица показывает прямое падение напряжения на светодиоде.

Красный Оранжевый Желтый Зеленый Синий Белый
1,8 В 2 V 2,1 В 2,2 В 3,6 В 3,6 В

Через типичный светодиод может пройти 30 -40 мА безопасный ток через него . Номинальный ток, чтобы дать достаточную яркость, стандартный красный светодиод 20 мА. Но это может быть 40 мА для синего и белого светодиода. Ограничение тока балластным резистором защищает диод от избыточного тока, протекающего через него. Значение балластного резистора должны быть тщательно отобраны, чтобы предотвратить повреждение светодиодов, а также получить достаточную яркость при токе 20 мА. Следующее уравнение объясняет, как выбирать балластный резистор.

R = V / I

Где R — является значение сопротивления в Ом, V — является входное напряжение в цепи, и I — это допустимый ток через светодиод в амперах. Для типичного красного светодиода, прямое падение напряжения составляет 1,8 вольта. Таким образом, если напряжение питания 12 В (Vs), падение напряжения на светодиод 1,8 В (V) и допустимый ток составляет 20 мА (Если), то значение балластного резистора будет

Vs — Vf / Если = 12 — 1,8 / 20 мА = 10,2 / 0,02 = 510 Ом.

Но если 510 Ом резистор не доступен то можно подобрать ближайший, например 470 Ом резистор может быть использован даже если ток через светодиод слегка увеличивается. Но рекомендуется использовать 1 K резистор для увеличения срока службы светодиодов, хотя там будет небольшое снижение яркости.

Ниже готова арифметические для выбора ограничительного резистора для различных версий светодиодов при различных напряжениях.

 

С добавлением других цветов

Светодиод, который может дать разные цвета полезно в некоторых приложениях. Например, светодиоды могут указывать на все системы OK, когда он становится зеленой, и неисправный, когда он становится красной. Светодиоды, которые могут производить два цвета называются Bicolour (Биколор) светодиодов.

Двухцветный светодиодный охватывает два светодиода (обычно красный и зеленый) в общем пакете. Два кристалла установлены на двух клеммах. Двухцветный светодиодный дает красный цвет, если ток проходит в одном направлении и становится зеленым, когда направление тока меняется на противоположное.

Триколор и многоцветные светодиоды , также доступны, которые имеют два или более кристаллов, заключенных в общий корпус. Трехцветный светодиодный имеет два анода для красного и зеленого кристалла и общим катодом. Таким образом, он излучает красный и зеленый цвета в зависимости от анода, в котором имеется ток. Если оба анода подключены, то светодиоды испускают свет и получается желтый цвет. Общий анод и отдельные светодиоды типа катода, также имеются.

Двухцветный индикатор светится разными цветами , начиная от зеленого через желтый, оранжевый и красный основной на ток, протекающий через их аноды, выбрав подходящий резистор для ограничения тока анода. Многоцветные светодиоды содержат более двух чипов, обычно красного, зеленого и синего чипы-в одном корпусе. Мигание разными цветами светодиодов, теперь доступны с двумя выводами. Это дает радугу цвета, которые являются весьма привлекательным.

Инфракрасный диод — источник Невидимого света

ИК диоды широко используются в удаленном управлении (пульт ДУ).  Инфракрасные диоды на самом деле испускают нормальный свет с определенным цветом, который не чувствителен к человеческим глазом, потому что его длина волны 950 нм, ниже видимого спектра. Многие источники, такие как солнце, лампы, даже человеческое тело испускает инфракрасные лучи. Поэтому необходимо, чтобы модулировать излучение от ИК-диода, чтобы использовать его в электронном приложении, чтобы предотвратить ложное срабатывание. Модуляции делает сигнал от ИК-светодиода значительно выше чем шум. Инфракрасные диоды есть в корпусе, которые являются непрозрачным для видимого света, но прозрачна для инфракрасного. ИК-светодиоды широко используются в системах управления.

Инфракрасные диоды

Фотодиод — Он может увидеть свет

Фотодиод генерирует ток, когда его р-п перехода получает фотоны видимого или инфракрасного света. Основная работа фотодиода зависит от поглощения фотонов в полупроводниковом материале. Фото-генерируемых носителей разделены электрическим полем, и в результате фототок пропорционален падающему свету.  Скорость, с которой носители движутся в области обеднения связана с силой электрического поля по всему региону и подвижность носителей.

Фотон, который поглощается полупроводником в области обеднения приведет к образованию электронно-дырочной проводимости. Дырки и электроны будут транспортироваться под действием электрического поля к краям области обеднения. После носителей покидают область истощения они идут к клеммам фотодиода, чтобы сформировать фото-ток во внешней цепи. Время отклика фотодиода, как правило, 250 наносекунд .

Фотодиоды

Лазерные диоды

Лазерный диод похож на обычные прозрачные светодиодные, но производит Laserwith высокой интенсивности. В лазерном луче число атомов вибрируют в такой цикле, что всё испускаемое излучение одной длины волны в фазе друг с другом. Лазерный свет является монохроматическим и проходит в виде узкого пучка. Луч типичных лазерных диодов составляет 4 мм х 0,6 мм, которая расширяется только до 120 мм на расстоянии 15 метров.

Лазерный диод может включаться и выключаться на более высоких частотах даже выше, чем 1 ГГц. Так что это весьма полезно в телекоммуникационных системах.Поскольку лазер генерирует тепло на поражение тканей тела, он используется в хирургии, чтобы исцелить поражения в очень чувствительных частей, как сетчатки, головного мозга и т.д. лазерные диоды являются важными компонентами в проигрывателях компакт-дисков, чтобы получить данные, записанные в компакт-дисках.

Лазерные Диоды

Почему мы испортили индикаторные светодиоды и что нужно менять / Хабр

Ах, этот скромный индикаторный светодиод. Он есть практически у всей домашней электроники, у всех интегральных модулей, и вообще у всего, что потребляет электричество. В стародавние времена скромный индикатор неярко светился с задней части панели, и всё было нормально. Но потом настали 1990-е, и всё полетело к чертям.

Дело не в технологиях, а в том, как вы их используете.


С большой яркостью приходит и большая ответственность.

В 90-х было много хорошего: Nirvana, Linux, и, конечно же, голубой светодиод. Как и Teen Spirit, последним слишком быстро начали злоупотреблять: технология быстро стало символом всего нового и крутого, вплоть до боли в глазах покупающей публики.

Это решение по уровню глупости встаёт в один ряд с другими спорными решениями, вроде взятия автомобиля напрокат прямо в аэропорту или вторжения в Россию зимой. Уверен, что многие согласятся, что индикаторный светодиод должен сообщать нам о текущем состоянии устройства. Он должен светить достаточно ярко для того, чтобы его можно было при желании увидеть. Чего ему не нужно делать, так это сиять с яркостью взорвавшейся звезды, или освещать всю комнату. Однако в отчаянных попытках дизайнеров новых продуктов сделать вид, что они стоят на переднем краю технологий, всё заполонили новые и яркие светодиоды.

Эта ситуация доставляет пользователям головную боль по многим причинам. Количество электронных устройств в доме за последние десятилетия сильно увеличилось, и у большинства из них есть собственный индикаторный светодиод. Что хуже, многие из них используются в спальнях – будь то ноутбуки, телефонные зарядки, телевизоры и прочее. Из-за увеличения яркости этих индикаторов, многие из которых не выключаются, средняя спальня теперь напоминает новогоднюю ёлку.


Зарядка от Samsung, которую предполагается использовать на прикроватной тумбочке, была такой яркой, что пользователю пришлось взломать её, чтобы приглушить.

А мода на использование с этой целью голубых светодиодов лишь ухудшает эту проблему. В человеческом глазу есть особые рецепторы, чувствительные к синему цвету, которые используются не только для зрения. Они также используются для распознавания синего цвета неба, что координирует наши внутренние циркадные ритмы, сопоставляя их с циклом день/ночь. На эту систему может повлиять наблюдение за искусственным синим цветом, и исследователи считают, что в результате могут пострадать наши циклы сна.

Часть проблемы состоит в том, что большая часть светодиодов на рынке сегодня имеют яркий синий цвет. Их включают в проекты устройств, не обращая внимания на чрезмерную светимость, потому, что это просто сделать – или же дизайнеры просто не смогли обновить свои предпочтения стандартного номинала токоограничивающего резистора.

Если я вижу яркое свечение на потолке потому, что я не выключил кнопку Caps Lock перед тем, как отправиться спать – это проблема. То же касается зарядок телефона и ноутбука. Я не должен оборачивать устройство в несколько слоёв изоленты для того, чтобы спрятать огонёк, который должен был изначально тускло светиться. Если устройство достаточно надёжно работает, я, скорее всего, вовсе не буду на него смотреть!

Как делать правильно

Мы все, конечно, любим световые индикаторы на системном блоке, и от хорошего индикаторного светодиода есть польза. Он говорит нам о том, что мы пишем очень агрессивное письмо с пугающими большими буквами, что наша зарядка и правда получает вкусный переменный ток, и что на наш монитор поступает питание, но он просто не включён до конца (ладно, ну действительно, кому какое дело до этого?). Пусть они и необходимы – но это не может служить оправданием того, что их настолько неправильно делают. Очень важно составить несколько правил их правильной реализации и использования.


Amiga 500 – пример максимально допустимой яркости. И даже тут уже есть небольшой перебор, хотя выбранные цвета не мешают работе наших внутренних часов.

Чрезмерной яркости надо избегать. Небольшие светодиоды легко можно приглушить простым изменением номинала резистора, поэтому нет оправданий для светодиодов, просто обозначающих наличие питания или переход в режим ожидания, но при этом освещающих всю комнату. Уровень яркости нужно приспособить для соответствующих вариантов использования устройства. У домашних компьютеров 1980-х не было проблем с чрезмерной яркостью индикаторов, поэтому предлагается взять пример с индикаторов от Amiga 500. Их среднюю яркость надо принять за максимум яркости для индикаторов на блоках питания или другой домашней электронике. Важно понимать, что на светодиод вы вообще не должны смотреть так часто, если только ваше оборудование не является жутко ненадёжным. А в этом случае у вас уже будут другие проблемы.


Давайте согласимся с тем, что «красный» означает «запись». Если что-то не сломано, не надо его чинить!

Также надо стандартизировать цвета, или хотя бы выбирать их осмысленно, для эффективного визуального представления. И хотя я удивляюсь красивому розовому светодиоду на Nintendo’s DSi, мы уже давно договорились о том, что красный цвет обозначает «запись», и нет никаких причин от этого отказываться. Если вашему устройству обязательно надо иметь светодиод, обозначающий режим ожидания (что, в самом деле?), сделайте его красным или оранжевым. А светодиоды питания должны быть зелёными. Не нужно этой ерунды «синий – значит, включён» – это просто показуха. Это не было крутым в 2001-м, и сегодня тоже не круто.

Также надо поставить под сомнение цель индикаторного светодиода. Слишком много светодиодов или слишком много цветов могут нас запутать. Светодиод зарядника для ноутбука должен иметь один цвет, обозначающий заряд – в идеале, зелёный. Если он оранжевый и зелёный, то что это означает-то? Заряжается и заряжен полностью? Сломан и заряжается? Если пользователю надо лезть в инструкцию, чтобы понять смысл индикаторного светодиода, то вы, наверное, могли сделать и получше.


Медленное мерцание не так отвлекает, как быстрое мигание, но нужно ли оно на самом деле?

Мигание нужно использовать, только когда это абсолютно необходимо. Светодиоды жёсткого диска и сетевой активности должны мигать, поскольку они обозначают постоянно изменяющееся состояние. Светодиод на микшерном пульте, обозначающий выключение звука, должен мигать, поскольку это спасёт начинающих техников, не могущих понять, почему нет звука. С другой стороны, светодиод на телевизоре в режиме ожидания мигать вообще не должен, поскольку если телевизор выключен, это значит, что никто не хочет обращать на него внимания.

Надеюсь, что эти правила станут отправной точкой для разработчиков устройств будущего. Зарядный коврик, предназначенный для прикроватного столика, уже не будет освещать всю комнату зловещим синим светом. Телевизор не будет беспрестанно мигать, не давая уснуть гостям, расположившимся на диване. Немного изменений – и все мы сможем отдохнуть, освободившись от отвлекающего сияния, и заняться своими делами. Конечно, это всего лишь мнение одного пожилого инженера.

Почему светодиод светится разными цветами?

Смотрите также обзоры и статьи:

Что влияет на цвет светодиода?

От чего зависит цвет светодиода? Может от цвета пластиковой оболочки? А как тогда обстоят дела с SMD светодиодами, у которых кристалл можно увидеть невооруженным глазом и там уж точно никакой цветной оболочки нет. Давайте же узнаем, почему светодиод светится разными цветами и от чего это зависит?

Начнем с самого простого варианта. Различный цвет свечения светодиода можно получить, просто окрасив его оболочку в тот или иной цвет. Такие светодиоды встречаются довольно часто, а в их основе находиться обычный белый светодиод. Таким нехитрым образом можно получить самые разные цвета свечения.

Кстати, устройство обычного белого светодиода не такое уж и простое. В основе таких диодов находиться бирюзовые или ультрафиолетовые светодиоды, в которых для белого свечения применяют специальный состав — люминофор.

Из чего состоят кристаллы?

А как быть со светодиодами, у которых прозрачная оболочка, или же с SMD светодиодами? В таких светодиодах применяются особые материалы для создания светоизлучающего кристалла.

Наиболее распространенным материалом для производства кристаллов являются различные соединения Галлия. В основном используются соединения Галлий Фосфида трехвалентного, в которые добавляют различные примеси. С помощью этих соединений получают светодиоды со свечением красного, оранжевого желтого и зеленого цвета. Но из текста мало понятно, давайте рассмотрим графические материалы.

Как видим, для обеспечения определенного свечения светодиодов используются различные соединения химических материалов. Обратите внимание, некоторые соединения применяются в светодиодах с различным цветом светимости. Это означает, что в таких светодиодах материал-основа дополнительно обрабатывается различными химическими соединениями.

Цвет получаемый совмещением.

Несколько иначе обстоят дела с инфракрасными и ультрафиолетовыми диодами, так как они излучают свет соответственно в инфракрасном и ультрафиолетовом спектрах. А вот бирюзовый светодиод состоит из двух светодиодных кристаллов — синего и красного, которые вместе дают такой цвет.

Кстати, двух и трехцветные светодиоды довольно распространены. Зачем изобретать новые материалы дающие определенное свечение, если можно просто подобрать несколько цветных диодов, дающих нужный цвет и объединить их в одном корпусе! Таким образом устроены RGB светодиоды. Вот только в них применяется сразу три светодиодных кристалла — красный, синий и зеленый соответственно.

Теперь вы знаете, почему светодиоды могут давать различное свечение. Как видим, все довольно просто — есть несколько основных видов светодиодов, которые дают основные цвета, а уже с их помощью различных комбинаций этих кристаллов можно получить новый, определенный цвет свечения.

Опубликовано: 2021-09-13 Обновлено: 2021-09-13

Автор: Магазин Electronoff

Поделиться в соцсетях

Светодиодное освещение — Журнал Alumdevelop

Стандартный светодиод представляет собой осветительный полупроводниковый прибор, который искажает электрическое напряжение в свет. Диапазон получаемого света зависит от химического состава полупроводника в диоде. Такой вид освещения используется в самых разнообразных отраслях жизни человека.

Светодиодное освещение

Что такое светодиод? На улицах часто мы видим манящие вывески и подсвеченные билборды, которые работают благодаря этой системе. Светодиоды есть в нашем телефоне или планшете, они позволяют загораться цифровому табло в автобусе либо троллейбусе.

Светодиодное освещение стало неотъемлемой частью нашей жизни. Обычный диод состоит из полупроводникового кристалла с оптической системой, которая предусматривает наличие контактного выхода. Конструкция совершенно простая, но ее изобретение вызвало в свое время настоящий фурор.

Как работает светодиод?

Светоизлучающие диоды преобразовывают поступающий в них электрический ток в световое излучение. И этот процесс не сопровождается интенсивным выделением тепловой энергии, соответственно КПД светодиода довольно высок. Осветительные приборы, основанные на принципах работы светодиодного освещения очень долговечны. Светодиоды являются низковольтными приборами. Например, для освещения достаточно от пары сотен мА до одного мА при напряжении в два-четыре вольта. Принцип работы светодиода основывается на наличии постоянно подключенной электроэнергии. Почему светится под воздействием тока и как работает светодиод?

Все просто, светодиод состоит из особого полупроводникового кристалла, располагающегося на подложке, которая проводит ток. Подложка имеет контактные выходы и оптическую систему. Основа в светодиоде обычно алюминиевая, она необходимо для отвода тепла. Когда поступает электрический ток, то яркое свечение возникает благодаря особой процессу рекомбинации электронов в полупроводнике. Электрический ток за счет этого принципа сразу образуется световое излучение.

Светодиодное освещение – история открытия

О.В. Лосев

Светодиодное освещение появилось впервые в далеком 1907 году, когда англичанин Генри Раунд случайно обнаружил странное свечение вокруг точечного контакта детектора. Тогда он не придал особого значения своему открытию, которое намного позже стало поистине монументальным. В то далекое время еще было не понятно, как работает светодиод. И первооткрывателем явления электролюминесценции считается О.В. Лосев, наш соотечественник. Именно он в 1923 году занимался активным изучением явления излучательной рекомбинации. Лосев заметил свечение карбида кремния под воздействием электрического тока. Позже это свечение получило имя ученого. Таким образом, весь мир и узнал о феномене электролюминесценции полупроводников. С наступлением Второй мировой войны о разработках светодиодов на время забыли.

После Второй мировой войны в Соединенных Штатах Америки был создан специальный центр, в котором проектировались и разрабатывались полупроводниковые лампы, которые работали на основе «эффекта Лосева». В 1955 году Р. Браунштейн заявил об открытии инфракрасного излучения арсенида галлия в сочетании с полупроводниковыми сплавами. В 1961 году была запатентована технология изготовления инфракрасных светодиодов. Год 1962 был ознаменован созданием светодиодов излучающих зеленый и красный цвет, произошло событие в университете Иллинойса в США под руководством Ника Холоньяка.

В 70-х годах прошлого века светодиодное освещение стало активно продвигаться в массы. Лауреат Ленинской премии физик Жорес Алферов создал многопроходные двойные геотекстуры, в 1978 году компания IBM разработала светодиоды с фиолетовым и голубым свечением для волокон оптических телекоммуникаций. В 1991 году на свет появились синие светодиоды под руководством доктора Накамура. Это светодиодное освещение представляло собой трехкристалльные светодиоды с объединенными в корпусе кристаллами красного, зеленого и синего свечения. Компания доктора Накамуры до сих пор является бессменным лидером в сфере производства светодиодов по всему миру, и она не собирается уступать своих позиций, разрабатывая новые высокотехнологичные осветительные приборы.

Виды и типы светодиодов

В основном виды и типы светодиодов разделяются по цветотипу и характеристикам мощности. Если говорить о мощности, то она у диодов бывает совершенно разной. Можно встретить изделия мощностью всего несколько милливатт, а есть и настоящие гиганты, которые обладают десятками ватт. Кстати, самый мощный диод выпускается фирмой CREE, и он имеет уровень рабочего тока в три ампера, хотя корпус его размером всего пять на пять миллиметров. Такие диоды применяются в промышленности либо в уличном освещении, обеспечивая сильную и стабильную яркость.

Сейчас чаще все используются стандартные светодиоды с током в 350 мА и с током в 700 мА, так как они довольно универсальные и для них можно подобрать максимально большое количество источников питания. Это распространенные типы светодиодов, используемые в повсеместной жизнедеятельности человека.

Типы светодиодов в зависимости от цвета излучения

Светодиоды бывают разных цветов. Изначально были созданы диоды белого цвета, но потом с развитием высоких технологий появились диоды желтого, красного, синего, оранжевого, зеленого и фиолетовых цветов. Есть диоды и инфракрасные, но излучение в них не видно простому глазу. Они применяются для подсветки камер или в пультах управления.

Характеристики светодиодов

Какие характеристики светодиодов выделяют их из обычного освещения? Считается, что светодиодное освещение более выгодно с экономической точки зрения, чем стандартные лампы накаливания или люминесцентные лампы. Так ли это на самом деле? Рассмотрим основные плюсы и минусы применения светодиодного освещения на простых примерах:

  • Светодиоды практичны. В отличие от простых ламп накаливания они очень экономично используют электрическую энергию. Они намного выгоднее газоразрядных, накальных, стандартных дуговых ламп. Так например их активно используют в сигнальных лампах для секционных ворот и шлагбаумов;
  • Срок службы светодиодных ламп при правильной эксплуатации и уходе довольно долгий. Он примерно в пятьдесят раз выше по сравнению со сроком службы обычных ламп накаливания. И это один из основополагающих плюсов подобной техники;
  • Менять спектральные характеристики в лампах накаливания можно с применением светофильтров. А в светодиодном освещении это не требуется;
  • Светодиоды могу менять углы излучения при помощи специальных линз, а вот люминесцентные лампы и лампы накаливания таким эффектом не обладают;
  • У светодиодов нет инерционности при включении и включении, они безопасны в использовании, имеют небольшие и компактные размеры, в них нет вредных соединений ртути, как в газоразрядных лампах.

Как видите, полезных качеств довольно много. И они позволяют активно пользоваться диодами, как в промышленности, так и в быту.

Светодиоды: основные минусы применения

Если говорить об основных недостатках, то они заключаются в высоких требованиях к основному качеству теплового отвода. Газоразрядные, люминесцентные лампы могут работать при низких температурах, а светодиодные ниже 50 градусов уже не функционируют.

Существует мнение, что свечение от светодиодов определенной мощности и спектра негативно влияет на органы зрения и может вызывать усталость глаз, и даже повреждение сетчатки, но никаких официальных и полных исследований по этому поводу не проводилось!

Такие осветительные приборы светят исключительно направленно. Поэтому при освещении жилья, или железнодорожных путей применяется особая технология подбора ламп и выравнивание освещения, что само по себе дело довольно затратное. Помимо этого для стабильной работы светодиодов надо применять дорогие источники питания. Например, импульсные.

Где применяются светодиоды?

Светодиоды в дизайне квартир

Светодиодное освещение используется во многих сферах человеческой жизни. В частности, для освещения улиц, рекламных билбордах, в ландшафтном дизайне, дизайне квартир, для ЖК экранов цифровых камер, смартфонов, телефонов. За последнее десятилетие область практического применения светодиодной техники только расширилась. Ее можно увидеть в автомобильной, медицинской, железнодорожной отрасли.

Различаются лишь виды светодиодов по мощности, индексу цветопередаче, световому потоку, надежности. Они не только не уступают таким источникам света, как лампы накаливания, но и в ряде случаев существенно превосходят их по техническим характеристикам. Светодиодное освещение также применяется:

  • В промышленном, бытовом, уличном освещении. Часто можно заметить светодиодные ленты на улицах города в разных цветовых вариациях;
  • В качестве специальных индикаторов для цифрового или буквенного табло;
  • В оптических товарах, светофобах и светофорах, для модулирования оптического сигнала по оптоволокну для сети Интернет, светотелефонов;
  • В светодиодных дорожных знаках, в USB-устройствах, значках, игрушках, в растениеводстве.

Светодизайн с помощью диодов

Светодиоды стали настоящим прорывом в мире искусственного освещения. Они просты в изготовлении, надежны и долговечны. Лидером, производящим диоды, с 1991 года по сегодняшний момент является известная японская компания «Nichia Corporation»

Уступает ей лишь Royal Philips Electronics». Политика фирмы заключается в покупке компаний, изготавливающих светодиоды. В России и странах Восточной Европы самым крупным производителем светодиодной техники признаны фирмы «Светлана-оптоэлектрика» и «Оптоган», созданные при поддержке «Роснано».

ASDN — Физика — Светоизлучающие диоды (светодиоды): взгляд изнутри

Светодиоды существуют уже около 30 лет. Они нашли применение везде, от светящихся брелков до телевизоров. Как правило, неорганический светодиод — это устройство, состоящее из полупроводника с двумя различными легированными областями: n-типа (электронная проводимость) и p-типа (дырочная проводимость). Давайте внимательно их рассмотрим.

Хорошо известно, что полупроводник становится более электропроводным за счет поглощения электромагнитного излучения, например.грамм. видимый свет, ультрафиолетовое, инфракрасное или гамма-излучение. Если свет, поглощаемый полупроводником, имеет энергию выше ширины запрещенной зоны (E g ), электроны могут переходить из валентной зоны в зону проводимости и вносить свой вклад в электрическую проводимость полупроводника. Между тем «пустое пятно», оставленное электроном в валентной зоне («дырка»), может быть занято другим электроном в валентной зоне, который затем становится источником дырочной проводимости.

В то время как в случае одного типа полупроводника мы можем наблюдать увеличение проводимости при приложении внешнего напряжения, два полупроводника разного типа, соединенные вместе (образующие «p-n-переход»), могут генерировать электрическое поле и электрический ток под действием падающего излучения.Этот ток возникает из-за рекомбинации электронов и дырок. Сила тока, в свою очередь, зависит от интенсивности света, поглощаемого полупроводником. Если свет выключен, ток падает.

Как работает светодиод

Если полупроводник p-типа соединен с анодом, а полупроводник n-типа — с катодом, взаимная диффузия электронов и дырок будет происходить в области, прилегающей к p-n-переходу, за счет градиентов их концентрации. Когда электрон рекомбинирует с дыркой, энергия высвобождается из-за перехода электрона на более низкий энергетический уровень.Однако в широком диапазоне полупроводников, таких как кремний или германий, рекомбинация электронов и дырок не сопровождается излучением света, а вместо этого приводит к увеличению энергии колебаний (безызлучательные переходы). Полупроводники этого типа называют полупроводниками с непрямой запрещенной зоной. Чтобы сделать светодиод, нам нужно создать p-n-переход с полупроводниками, имеющими прямую запрещенную зону с энергией, соответствующей энергии фотонов видимого света. Эти два типа полупроводников просто отличить по их световой прозрачности: полупроводники, способные выделять избыточную энергию в виде излучения, обычно прозрачны для видимого света.Например, GaAs (арсенид галлия) и GaN (нитрид галлия) являются прозрачными полупроводниками и хорошо подходят для изготовления светодиодов.

Если применяется (прямое) смещение, количество носителей заряда, которые могут преодолеть барьер и перемещаться через p-n-переход, увеличится (это «инжекция неосновного заряда»). Одновременно увеличивается количество основных носителей заряда, проходящих через контакты, что приводит к компенсации заряда. В результате скорость рекомбинации возрастает, а результирующий электрический ток экспоненциально растет в зависимости от величины смещения.

Как упоминалось ранее, рекомбинация электронов и дырок в прямозонных полупроводниках сопровождается испусканием фотонов; длина волны излучаемого света зависит от ширины запрещенной зоны полупроводника, которая различается для разных материалов. Например, широко используемый в современных светодиодах нитрид галлия характеризуется люминесценцией на длине волны 365 нм. Одна из основных проблем при производстве светодиодов — получение бездефектных кристаллов GaN, получаемых эпитаксиальным выращиванием на сапфировых темплетах.Современные промышленные светодиоды, состоящие из очень тонких (10-15 нм) чередующихся слоев p- и n-полупроводников, производятся с использованием MOCVD (химического осаждения из паровой фазы или химического осаждения из паровой фазы).

Какие преимущества и недостатки светодиодов?

Начнем с недостатков, которых очень мало. Во-первых, световой луч светодиода обычно менее интенсивен, чем световой пучок обычных лампочек. Во-вторых, светодиоды обычно характеризуются низким индексом цветопередачи (CRI), который является мерой способности источника света воспроизводить цвета различных объектов.Например, галогенные лампы имеют довольно высокий индекс цветопередачи (> 90%), тогда как обычные светодиоды имеют индекс цветопередачи 60-69%. Однако следует отметить, что обе эти проблемы успешно решаются производителями современных светодиодов.

Преимущества светодиодов невозможно переоценить. Современные светодиоды могут работать до 50 000 часов и отличаются значительно меньшим энергопотреблением, чем обычные источники света. Кроме того, в их излучении нет вредных длин волн ультрафиолета, и их можно использовать для производства «безопасных» соляриев для загара.Одно из перспективных применений светодиодов — это так называемые «интеллектуальные системы освещения», в которых сверхэффективные светодиоды сочетаются с датчиками для обеспечения «умного» (энергоэффективного) освещения. Одно из основных направлений развития светодиодной техники — замена неорганических материалов на органические. Принцип работы органических светодиодов (OLED) основан на той же физике, что и неорганические светодиоды, но его конструкция совершенно другая.

Для эффективной и продолжительной работы OLED требуются дополнительные слои, проводящие электроны и дырки, и слои, блокирующие дырки.У OLED есть несколько преимуществ перед светодиодами. Например, они позволяют увеличивать угол обзора, яркость, контрастность, разрешение и размер экранов. Гибкие экраны, которые можно свернуть в трубы, можно изготавливать с использованием OLED. В будущем OLED позволят изготавливать люминесцентные обои с изображениями, которые можно менять, например скачивая из Интернета, создавая их из самодельных фотографий или используя Photoshop. Представьте, что вы можете сделать с целыми стенами в своем доме или квартире!

Благодарность

Эта статья создана Екатериной Полютиной как краткая адаптированная версия оригинальных статей: «Просто про светодиоды» Валентины Уточниковой и «Загляни внутрь: светодиодные лампы» Евгения Смирнова, опубликовано на российском портале нанотехнологий Nanometer.RU. Перевод Тая Скорина.

Подробнее о светодиодах

Lighting Inc | Как работают светодиоды для обеспечения видимого и невидимого света

Несмотря на то, что светодиоды присутствуют в предметах, которые большинство из нас использует несколько раз в день, то, как они работают, остается загадкой. В этой статье мы рассмотрим, как работают светодиоды, понятным большинству из нас. После этого мы исследуем, чем может быть полезен даже невидимый свет от светодиодов.

Основы того, как светодиоды излучают свет

«Светодиод» означает «светоизлучающий диод.«Этот диод на самом деле является полупроводником, который излучает видимый свет, когда электрический ток проходит через его структуру. Это происходит потому, что электроны снова собираются в так называемые «электронные дырки». Когда это происходит, состояние электрона меняется. Электрон теряет энергию в виде фотона. Этот фотон представляет собой форму светового излучения, видимого нам, людям. Чем больше энергии выделяется электроном, тем выше частота испускаемого фотонного света. Частота испускаемой фотонной световой энергии может определять цвет видимого света.

Как используется невидимый светодиодный свет

Все мы знаем, что светодиодный свет полезен в качестве источника видимого света, но как насчет невидимого света? Когда фотонный свет излучается светоизлучающим диодом (LED), это не означает, что мы сможем его видеть. Люди могут воспринимать свет только с определенной цветовой частотой и яркостью. Человеческий глаз способен видеть свет только между 390-700 нанометрами в электромагнитном спектре. Из-за этого светодиодный свет можно использовать не только для света, который мы можем видеть.Примером может служить использование светодиодов в пультах дистанционного управления. Инфракрасные светодиоды на конце пульта дистанционного управления излучают свет, который принимает ваш телевизор или другая электроника. Этот свет может передавать закодированные сообщения, которые может интерпретировать определенная электроника. Если бы вы могли видеть этот свет, это выглядело бы так, как если бы вы светили маленьким фонариком в направлении вашего телевизора каждый раз, когда вам нужно изменить канал или увеличить громкость. Светодиоды также могут использоваться для отправки сообщений по оптоволоконным кабелям в виде инфракрасного света.

Забавные примечания: разных животных могут видеть разные спектры света. Пчела, например, может видеть в диапазоне 300-650 нанометров, что означает, что они не могут видеть красный цвет, но они могут видеть цвета в ультрафиолетовом спектре, невидимые для человека.


Если вам больше интересно, как видимый свет от светодиодов может осветить любое место в вашем доме или офисе, профессионалы в области светодиодов из Lighting Inc. могут помочь.

Что такое светодиод и как работают светодиоды?

Хотя большинство из нас знакомо с теплым свечением традиционных ламп накаливания, многие могут не знать, как на самом деле работает этот тип ламп.Вот немного предыстории: лампы накаливания излучают свет, нагревая нить накаливания до тех пор, пока она не начнет светиться — на самом деле, до 90% энергии, используемой для зажигания лампы накаливания, идет на производство этого тепла!

Их высокое потребление энергии — лишь одна из причин, почему многие правительства начали отказываться от традиционных лампочек в пользу энергоэффективных альтернатив, таких как КЛЛ и светодиоды. Но для тех, кто не знаком с современными вариантами освещения, такими как светодиоды, переход на новый стиль лампочки может показаться пугающей перспективой.Понимание того, что такое светодиоды и как они работают, может упростить процесс поиска подходящей лампы и перехода на энергоэффективное освещение. Продолжайте читать, чтобы узнать больше.

Что такое светодиод?

«LED» означает «светоизлучающий диод». Первые две части этого названия легко понять — «светоизлучающий» означает, что он излучает свет, — но что такое «диод» и для чего он нужен? Чтобы ответить на этот вопрос, нам нужно немного научиться.

Все диоды излучают фотоны (частицы электромагнитной энергии), но только определенные типы диодов излучают эту электромагнитную энергию в виде света, а не тепла.Светоизлучающий диод — это тип технологии твердотельного освещения (SSL), что означает, что он излучает свет от куска твердого вещества. В данном случае этот кусок твердого вещества представляет собой двухпроводной полупроводник. Полупроводник. Полупроводник — это материал, способный проводить электрический ток. Два вывода означает, что есть два полупроводниковых материала. Как это работает, мы объясним в следующем разделе.

Типы светодиодов

Есть два основных типа светодиодов:

  • Индикатор — недорогое маломощное устройство, которое используется в качестве световых индикаторов в автомобилях, панелях и других электронных устройствах.

  • Осветитель — мощный прибор, обеспечивающий освещение. Это тип светодиодов, которые вы покупаете для освещения комнат в вашем доме или офисе. Их можно найти во множестве стилей, форм и цветов, подходящих практически для любого применения.

Как работают светодиоды?

Светодиод способен генерировать свет благодаря расположению двух полупроводниковых материалов, расположенных между его электродами:

  1. N-тип: Полупроводник с дополнительными электронами (также известный как дополнительные отрицательно заряженные частицы ).
  2. P-тип: Полупроводник с дополнительными отверстиями (также известный как дополнительные положительно заряженные частицы ).

Подключение полупроводника N-типа к отрицательному электроду и полупроводника P-типа к положительному электроду активирует электроны, так что они могут течь через переход от отрицательного к положительному слою. Когда дополнительные электроны (отрицательно заряженные частицы) проходят через дополнительные отверстия (положительно заряженные частицы), они излучают свет.


Проводящим материалом, из которого состоят светодиоды, обычно является арсенид алюминия-галлия (AlGaAs), но есть и другие виды. Материалы выбираются специально, потому что они производят фотоны, которые будут высвобождаться в видимой части светового спектра. Тип выбранного материала и его количество изменяют цвет света, потому что каждый материал генерирует фотоны с разной длиной волны, влияя на то, как он выглядит для человеческого глаза.

ОСВЕЩЕНИЕ: По-настоящему белого светодиода не существует.Они либо представляют собой комбинацию светодиодов разного цвета, либо имеют желтое или оранжевое покрытие (люминофор), которое преобразует светодиоды в белый свет.

Подробнее

Найдите ответы на все свои вопросы о светодиодах в оставшейся части нашего полного руководства по светодиодным светильникам:

Часть 1: Что такое светодиод и как работают светодиоды? (вы здесь!)
Часть 2: Преимущества светодиодов
Часть 3: Светодиоды против традиционных ламп накаливания
Часть 4: Переход на светодиоды за 5 шагов
Часть 5: Как сделать Купить светодиоды
Часть 6: История светодиодов
Часть 7: Расширенные функции

Блог

Scotlight Direct | Как работают светодиоды (светодиоды)

Как работают светодиоды

Основная функция светоизлучающего диода — преобразовывать электрическую энергию в видимый свет.История светодиодов насчитывает более 100 лет, от первых экспериментальных открытий до их многочисленных применений и применений сегодня.


Светодиоды бывают нескольких разных форм, и есть ключевые различия в том, как работает каждый тип. В настоящее время светодиоды используются в различных областях применения и осветительной арматуре, например, в наружных настенных светильниках, потолочных светильниках для спален и даже в лампах Тиффани.

В этой статье будет предпринята попытка объяснить, как работают светодиоды, в удобном для понимания формате с как можно меньшим количеством запутанного научного жаргона.

Технология, лежащая в основе светоизлучающих диодов

Что такое полупроводник?

В контексте изучения электроники фундаментально важно понимание связи между материей и электричеством. Это потому, что каждое электронное устройство собирается из деталей, созданных из обычного материала. Следовательно, чтобы понять электронику на базовом уровне, важно понимать влияние электричества на материю.

Для этого все элементы, из которых состоит материя, разделены на три отдельные категории.


Это: проводники, изоляторы и полупроводники.


В данной статье основное внимание будет уделено полупроводникам, но также важно знать, как они работают по отношению к проводникам и изоляторам.


Проводники — это такие элементы, как медь и серебро, которые очень легко проводят электрический ток. Обычно они выполнены в виде проволоки и используются для передачи электроэнергии между двумя точками.


Изоляторы плохо проводят электрический ток и используются на практике, когда необходимо предотвратить прохождение электричества.Материалы, подпадающие под это определение, включают серу, резину и стекло.


Полупроводники находятся между категориями проводников и изоляторов, поскольку они не выполняют ни одну из этих функций эффективно. Характеристики полупроводников находятся между проводниками и изоляторами.


Полупроводниковые материалы включают германий, кремний и различные элементы, используемые в светодиодах, в том числе; сульфид цинка, арсенид галлия и нитрид галлия.

Что такое полупроводник?

Открытие электролюминесценции

Электролюминесценция — это как оптическое, так и электрическое явление, при котором материалы излучают свет, когда они реагируют на электрический ток, либо как проводник, либо когда они находятся в пределах досягаемости достаточно сильного магнитного поля.


Механизм работы электролюминесценции зависит от излучательной рекомбинации заряженных электронов и пространств внутри полупроводника, которые выделяют энергию в виде фотонов.


Мы воспринимаем это как свет.


В светодиодах до того, как произойдет излучательная рекомбинация, есть два основных метода, с помощью которых можно увеличить количество излучаемого ими света.
Они составляют основу светодиодов, которые сегодня используются в коммерческих целях.


Полупроводники N-типа и P-типа
Первый метод заключается в разделении электронов и промежутков в полупроводнике с помощью так называемого «легирующего» проводника с образованием p-n-перехода.


В p-n переходе «n» означает «отрицательный», а «p» означает «положительный».
Полупроводники N-типа могут быть изготовлены путем добавления некоторых атомов из элемента сурьмы к кремнию, что позволит лишним электронам проходить через него.


В проводники p-типа могут быть добавлены атомы такого элемента, как бор, и это удалит электроны из кремния, оставив дыры там, где они когда-то были. Это позволяет электронам перемещаться, неся положительный заряд.


Допирование в контексте производства полупроводников — это синтетическое введение примесей в собственный (или нелегированный) полупроводник, чтобы можно было модулировать его электрические, структурные и оптические свойства.


Другой метод заключается в возбуждении путем воздействия сильнозаряженных электронов, которые ускоряются сильным электрическим полем. Этот метод используется в электролюминесцентных дисплеях, например, в приборных панелях самолетов. В этом случае люминофоры представляют собой материалы, подвергающиеся воздействию электромагнитного поля.


Соединительные диоды


Интересно объединить кремниевые полупроводники p-типа и n-типа.


Если вы добавите кусок кремния n-типа со слишком большим количеством электронов в кремний p-типа, электроны со стороны n-типа будут перемещаться через соединение, так что они могут заполнить дыры на стороне n-типа , поскольку кремний снова возвращается в нормальное состояние.


Поскольку кремний с трудом проводит электричество, как и созданный переход, создается барьер между кремнием n-типа и кремнием p-типа.


Эта зона известна как зона истощения из-за того, что в ней нет ни свободных электронов, ни дырок.


Если вы подключили батарею к вновь сформированному p-n переходу, то способ, которым она была подключена, повлияет на результат.


Прямое смещение


Если отрицательная сторона батареи подключена к кремнию n-типа, а положительная сторона к p-типу, это приведет к уменьшению размера зоны истощения. Электроны и дырки пересекают переход в противоположном направлении, и ток течет, вызывая так называемое прямое смещение.


Обратное смещение


Если полюса батареи соединены противоположным образом, так что положительная сторона подключена к кремнию n-типа, а отрицательная сторона — к кремнию p-типа, это приведет к перемещению электронов в противоположную сторону. конец от отверстий, которые идут в другом направлении. В этих условиях ток не может течь, это называется обратным смещением.


Это в основном объясняет функцию обычных диодов и то, почему электрический ток может проходить через них только в одном направлении.


Как работают светодиоды (в двух словах)


Светодиоды — это в основном диоды, конструкция которых позволяет им излучать свет.


Диод прямого смещения, который позволяет электронам и дыркам проходить через зону обеднения в противоположных направлениях, позволяет им объединяться и, таким образом, устранять друг друга.


По прошествии определенного времени, когда электрон переходит из кремния n-типа в кремний p-типа, он найдет дырку, с которой он будет объединяться, и исчезнет.


Этот процесс завершает работу атома, делая его более стабильным, и когда это происходит, он испускает небольшой всплеск энергии в виде одиночного фотона света.

Первые изобретатели светодиода

H. J. Round


В 1907 г. Х. Дж. Раунд открыл электролюминесценцию.


Он исследовал, что произойдет, если он несимметрично пропустит ток через карбид кремния с помощью детектора кошачьих усов.


Когда он приложил электрический потенциал 10 вольт между двумя точками карбида кремния, он заметил, что кристаллы испускают желтоватый свет.


Он также ввел 110 вольт, и именно в этот момент некоторые кристаллы испускали зеленый, оранжевый и синий свет вместо желтого.


Он отметил, что во всех проведенных им испытаниях свечение появлялось на отрицательном полюсе.


Х. Дж. Раунд опубликовал это открытие в журнале «Электрический мир» и в конце статьи обратился к «ссылкам на любые опубликованные отчеты об исследовании этого или любого родственного явления».


Олег Лосев


Следующий шаг в эволюции светодиодного освещения принадлежит российскому ученому Олегу Лосеву, который первым должным образом исследовал их эффекты, представил подробную теорию того, как они могут работать, а также описал возможные практические применения.Он опубликовал эти результаты в «Русском журнале» в 1927 году.


Главный вклад Лосева состоял в объяснении функции твердотельного источника света, который мог генерировать свет с помощью электролюминесценции.

Жорж Дестрио


Прошло почти двадцать лет, прежде чем Жорж Дестрио сделал следующий шаг в эволюции светодиодов.


В 1936 году Дестрио заметил, что он может производить электролюминесценцию, помещая сульфид цинка в изолятор и затем создавая переменное электрическое поле.


Он назвал этот тип люминесценции «светом Лосева», имея в виду русского ученого, который дал более научное обоснование открытиям Х. Дж. Раунда, а также обнаружил возможные применения его изобретений.


Курт Леховец


Курт Легович также процитировал работы Олега Лосева в своей работе, поскольку он объяснил первые светодиоды вместе с Эдвардом Джамгочайном и Карлом Аккардо.


Вместе со своими коллегами Лехович объяснил первые светоизлучающие диоды в 1951 году.


Они использовали устройство, в котором использовались кристаллы карбида кремния с батареей в качестве источника тока, или генератор импульсов, и они также провели сравнение с вариантом, чистым кристаллом кремния.


Джеймс Р. Биард


Это было в 1961 году, когда Джеймс Р. Биард и его коллега Гэри Питтман открыли инфракрасный свет, излучаемый туннельным диодом, работая в Texas Instruments.


После этого открытия патентное ведомство США выдало патент на первый практический светодиод.


Ник Холоняк младший


В 1962 году Ник Холоняк-младший изобрел первый светодиод видимого спектра, когда работал в General Electric.


Курт Легович также процитировал работы Олега Лосева в своей работе, поскольку он объяснил первые светодиоды вместе с Эдвардом Джамгочайном и Карлом Аккардо.


Вместе со своими коллегами Лехович объяснил первые светоизлучающие диоды в 1951 году.


Они использовали устройство, в котором использовались кристаллы карбида кремния с батареей в качестве источника тока, или генератор импульсов, и они также провели сравнение с вариантом, чистым кристаллом кремния.


Джеймс Р. Биард


Это было в 1961 году, когда Джеймс Р. Биард и его коллега Гэри Питтман открыли инфракрасный свет, излучаемый туннельным диодом, работая в Texas Instruments.


После этого открытия патентное ведомство США выдало патент на первый практический светодиод.


Ник Холоняк младший


В 1962 году Ник Холоняк-младший изобрел первый светодиод видимого спектра, когда работал в General Electric.

Что такое светодиодное освещение?

Первые светодиоды


Ранние версии светодиода, изобретенные Ником Холоняком-младшим, были красными. Это было не случайно.


Светодиоды изготавливаются путем наложения полупроводниковых материалов на пластинчатую поверхность. По мере наращивания слоев добавляются легирующие материалы, которые определяют цвет светодиода.


Легирующим агентом, использованным в первых светодиодах, был фосфид арсенида галлия, который естественным образом дает красный цвет.


Это одна из причин того, что красный цвет стал цветным индикатором по умолчанию, хотя тот факт, что красный также является естественным цветом для опасности, должен был помочь их принятию.


Современные процессы создания допинговых добавок означают, что теперь доступны светодиоды в различных цветовых вариантах, что позволяет использовать гораздо больше приложений, чем просто индикаторы питания или сигнальные лампы.


В течение первого десятилетия срока службы светодиоды были доступны только в красном цвете.


Светодиод может выполнять множество задач


Светодиоды — один из наиболее широко используемых компонентов в электронных схемах. Они выполняют множество задач и используются в самых разных устройствах.


Сюда входят числа на цифровых часах, отправка информации с пультов дистанционного управления и световые индикаторы, которые сообщают нам, когда приборы включены.


Их также можно объединить в матрицу и использовать в качестве телевизионного экрана типа jumbotron или в качестве подсветки светофоров.


Светодиоды, используемые для этих видов работ, в основном представляют собой небольшие лампы, которые можно легко подключить к электрической цепи.


Их предпочитают лампам накаливания, поскольку они более долговечны и излучают меньше тепла. Ключевой особенностью этого является то, что у них нет нити, которая может перегореть или легко повредиться.


Современное использование светодиодов

Белый свет


Светодиоды прошли путь от световых индикаторов или информационных дисплеев до источников света в 1993 году.Сюдзи Накамура совершил прорыв, когда он обнаружил процесс легирования, который привел к появлению ярких синих светодиодов.


После этого был использован желтый люминофор для покрытия синего светодиода, и так мы получили белые светодиоды.


Это обеспечило целый ряд новых приложений, и теперь они могли освещать мир. В частности, были преобразованы коммерческое и бытовое освещение. Такие предметы, как наружные настенные светильники и многие домашние светильники, можно использовать со светодиодными лампами вместо традиционных галогенных ламп.


Одной из первых работ, которые выполняли белые светодиоды, было создание фонарей, и теперь было почти невозможно найти фонарик со старым источником света накаливания.

Освещение дороги


Замена автомобильных фар может быть трудной. Различные типы кожухов, фирменные зажимы и недостаток пространства между компонентами двигателя могут блокировать доступ к лампе.


В современных автомобилях старые лампы накаливания заменены светодиодами, а это означает, что они, вероятно, никогда не потребуют замены и могут даже прослужить дольше автомобиля.


К 2010 году почти все автомобили были оснащены светодиодными фарами, что в сочетании с длительным сроком службы и низким потреблением энергии делало их идеальными для использования в транспортных средствах.


Помимо всех практических преимуществ, они также отлично смотрятся.


Замена лампочки


Компактные люминесцентные лампы стали большим шагом вперед с точки зрения энергоэффективности по сравнению с лампами накаливания. Тем не менее, они создавали ужасную атмосферу и были не очень адаптируемыми или эстетически приятными.


Замена ламп накаливания была неизбежна, но компактные люминесцентные лампы не способны создавать теплый свет, необходимый для создания комфортных условий.


Светодиоды способны создавать теплый свет, и они могут делать это, используя гораздо меньше электроэнергии, хотя и выделяют много тепла.


Они также могут быть дорогими, но это не помешало огромным компаниям, таким как Philips и General Electric, инвестировать в разработку новых и более эффективных типов светодиодного освещения, и они стали доминирующим источником света за последние несколько месяцев. годы.

Освещение вашего дома

Многие домашние хозяйства извлекли выгоду из этого, поскольку обычные источники света, такие как потолочные точечные светильники, которые вы найдете на многих кухнях и жилых комнатах, ранее потребляли большое количество электроэнергии. Благодаря переходу на светодиодное освещение резко снизились эксплуатационные расходы на этот тип освещения для низких потолков.

Как работают светодиодные лампы?

Замена традиционных источников света


В последнее время светодиодные лампы заменяют традиционные лампы накаливания и более современные компактные люминесцентные лампы.


Светодиодные лампы можно вкручивать в те же розетки, что и лампы накаливания и КЛЛ.


Ранние варианты замены светодиодов могли выглядеть не такими яркими, как лампы, которые они заменяли. Хотя светодиодные лампы всегда производили много света, в первые дни существовала тенденция к тому, что этот свет застревает внутри.


Однако достижения в области светодиодных технологий означают, что это больше не проблема, и легко найти светодиодные лампы, которые могут излучать столько же света, сколько лампа накаливания на 60 Вт, при этом потребляя только 10% энергии.

Как улучшаются светодиодные лампы


Ведущие осветительные компании, такие как Philips и General Electric, вкладывают много денег в исследования и улучшение светодиодного освещения.
Эти вложения приводят ко многим прорывам в эффективности и снижению затрат на производство высокоэффективных ламп, которые прослужат очень долгое время.


Решение проблемы потери света


Как уже упоминалось ранее в статье, одна из основных проблем светодиодного освещения — потеря света.Эта проблема решается путем создания микроскопических отверстий в корпусе лампы, которые помогают испускать свет. Этот процесс может быть дорогостоящим, однако новая технология, использующая литографию с нано-отпечатком, которая может проделывать миллиарды отверстий в крошечных светодиодах, решает эту проблему.


Сокращение времени производства


Есть также улучшения в производстве самих светодиодов. Более новые более экономичные методы создания полупроводников из нитрида галлия с использованием кремниевых пластин вместо более дорогих сапфировых проводов, которые использовались в ранних версиях светодиодного освещения.Это привело к резкому снижению затрат на производство светодиодов.


Это хорошая новость для потребителей светодиодного освещения, так как они получают более качественное освещение по более низкой цене. Когда это добавляется к экономии, которая возможна за счет снижения потребления энергии, нет особых аргументов в пользу использования любого другого источника света.

Строительство, схемы, работа и применение

Светодиод — это двухпроводной полупроводниковый источник света.В 1962 году Ник Холоняк придумал светоизлучающий диод, и он работал в компании General Electric. Светодиод — это особый тип диода, который имеет электрические характеристики, аналогичные диодам с PN переходом. Следовательно, светодиод позволяет току течь в прямом направлении и блокирует ток в обратном направлении. Светодиод занимает небольшую площадь, менее 1 мм 2 . Применение светодиодов в различных электрических и электронных проектах.В этой статье мы обсудим принцип работы светодиода и его применение.


Что такое светоизлучающий диод?

Светоизлучающий диод представляет собой диод с p-n переходом. Это специально легированный диод, сделанный из полупроводников особого типа. Когда свет излучает в прямом смещении, это называется светодиодом.

Светоизлучающий диод

Светодиодный символ

Символ светодиода похож на символ диода, за исключением двух маленьких стрелок, которые указывают излучение света, поэтому он называется светодиодом (светоизлучающим диодом).Светодиод имеет две клеммы, а именно анод (+) и катод (-). Символ светодиода показан ниже.

Светодиодный символ

Конструкция светодиода

Конструкция светодиода очень проста, поскольку он разработан путем нанесения трех слоев полупроводникового материала на подложку. Эти три слоя расположены один за другим, где верхняя область является областью P-типа, средняя область активна и, наконец, нижняя область является областью N-типа. В конструкции можно увидеть три области полупроводникового материала.В конструкции область P-типа включает отверстия; область N-типа включает выборы, тогда как активная область включает как дырки, так и электроны.

Когда на светодиод не подается напряжение, поток электронов и дырок отсутствует, поэтому они стабильны. После подачи напряжения светодиод будет смещен в прямом направлении, поэтому электроны в N-области и дырки из P-области переместятся в активную область. Этот регион также известен как область истощения. Поскольку носители заряда, такие как дырки, содержат положительный заряд, тогда как электроны имеют отрицательный заряд, свет может генерироваться за счет рекомбинации полярных зарядов.

Как работает светоизлучающий диод?

Светодиод просто, мы знаем как диод. Когда диод смещен в прямом направлении, электроны и дырки быстро перемещаются через переход, и они постоянно объединяются, удаляя друг друга. Вскоре после того, как электроны переходят из кремния n-типа в кремний p-типа, он соединяется с дырками, а затем исчезает. Следовательно, он делает атом в целом более стабильным и дает небольшой всплеск энергии в форме крошечного светового пакета или фотона.

Работа светодиода

На приведенной выше диаграмме показано, как работает светоизлучающий диод, и пошаговый процесс построения диаграммы.

  • Из вышеприведенной диаграммы мы можем видеть, что кремний N-типа имеет красный цвет, включая электроны, обозначенные черными кружками.
  • Силикон P-типа синего цвета, в нем есть отверстия, они обозначены белыми кружками.
  • Источник питания через p-n переход делает диод смещенным вперед и переводит электроны из n-типа в p-тип.Продвигая отверстия в обратном направлении.
  • Электрон и дырки на стыке совмещены.
  • Фотоны испускаются при рекомбинации электронов и дырок.

История создания светодиода

светодиода были изобретены в 1927 году, но это не новое изобретение. Краткий обзор истории светодиодов обсуждается ниже.

  • В 1927 году Олег Лосев (русский изобретатель) создал первый светодиод и опубликовал некоторые теории по своим исследованиям.
  • В 1952 году профессор Курт Леховец проверил теории неудачников и рассказал о первых светодиодах.
  • В 1958 году Рубин Браунштейн и Эгон Лебнер изобрели первый зеленый светодиод.
  • В 1962 году Ник Холоняк разработал красный светодиод. Итак, первый светодиод создан.
  • В 1964 году IBM впервые реализовала светодиоды на печатной плате компьютера.
  • В 1968 году компания HP (Hewlett Packard) начала использовать светодиоды в калькуляторах.
  • В 1971 году Жак Панков и Эдвард Миллер изобрели синий светодиод.
  • В 1972 году Джордж Кроуфорд (инженер-электрик) изобрел желтый светодиод.
  • В 1986 году Уолден С. Райнс и Герберт Маруска из Университета Стаффорда изобрели светодиод синего цвета с магнием, включая будущие стандарты.
  • В 1993 году Хироши Амано и физики Исаму Акаски разработали нитрид галлия с высококачественными светодиодами синего цвета.
  • Инженер-электрик, такой как Сюдзи Накамура, разработал первый синий светодиод с высокой яркостью благодаря разработкам Amanos & Akaski, что быстро привело к расширению использования светодиодов белого цвета.
    В 2002 году светодиоды белого цвета использовались в жилых помещениях, стоимость каждой лампы составляла от 80 до 100 фунтов стерлингов.
  • В 2008 году светодиодные светильники стали очень популярными в офисах, больницах и школах.
  • В 2019 году светодиоды стали основными источниками света;
  • Светодиодная разработка невероятна, поскольку она варьируется от небольшой индикации до освещения офисов, домов, школ, больниц и т. Д.

Схема светоизлучающего диода для смещения

Большинство светодиодов имеют номинальное напряжение от 1 до 3 вольт, тогда как номинальный прямой ток находится в диапазоне от 200 мА до 100 мА.


Смещение светодиода

Если на светодиод подается напряжение (от 1 В до 3 В), то он функционирует правильно, так как ток, подаваемый на подаваемое напряжение, находится в рабочем диапазоне. Точно так же, если приложенное к светодиоду напряжение выше рабочего напряжения, то область обеднения внутри светодиода выйдет из строя из-за сильного протекания тока.Этот неожиданно сильный ток приведет к повреждению устройства.

Этого можно избежать, последовательно подключив резистор к источнику напряжения и светодиоду. Безопасные значения напряжения светодиодов будут находиться в диапазоне от 1 В до 3 В, тогда как безопасные номинальные значения тока находятся в диапазоне от 200 мА до 100 мА.

Здесь резистор, который расположен между источником напряжения и светодиодом, известен как резистор ограничения тока, потому что этот резистор ограничивает ток, иначе светодиод может его разрушить.Таким образом, этот резистор играет ключевую роль в защите светодиода.

Математически протекание тока через светодиод можно записать как

IF = Vs — VD / RS

Где,

«IF» — прямой ток

«Вс» — источник напряжения

‘VD’ — падение напряжения на светодиоде

«Rs» — токоограничивающий резистор

Величина падения напряжения для преодоления барьера области истощения. Падение напряжения на светодиодах будет составлять от 2 В до 3 В, в то время как диод Si или Ge равен 0.3 иначе 0,7 В.

Таким образом, светодиод может работать от высокого напряжения по сравнению с Si- или Ge-диодами.
Светодиоды для работы потребляют больше энергии, чем кремниевые или германиевые диоды.

Типы светодиодов

Существуют различные типы светодиодов, некоторые из которых упомянуты ниже.

  • Арсенид галлия (GaAs) — инфракрасный
  • Фосфид арсенида галлия (GaAsP) — от красного до инфракрасного, оранжевый
  • Алюминий, арсенид фосфид галлия (AlGaAsP) — ярко-красный, оранжево-красный, оранжевый и желтый
  • Фосфид галлия (GaP) — красный, желтый и зеленый
  • Алюминий фосфид галлия (AlGaP) — зеленый
  • Нитрид галлия (GaN) — зеленый, изумрудно-зеленый
  • Нитрид галлия-индия (GaInN) — ближний ультрафиолетовый, сине-зеленый и синий
  • Карбид кремния (SiC) — синий как подложка
  • Селенид цинка (ZnSe) — синий
  • Нитрид алюминия-галлия (AlGaN) — ультрафиолет

Принцип работы светодиода

Принцип работы Светодиода основан на квантовой теории.Квантовая теория утверждает, что когда электрон опускается с более высокого энергетического уровня на более низкий энергетический уровень, энергия излучается фотоном. Энергия фотона равна энергетической щели между этими двумя энергетическими уровнями. Если диод с PN-переходом смещен в прямом направлении, то ток течет через диод.

Принцип работы светодиода

Поток тока в полупроводниках вызван потоком дырок в направлении, противоположном току, и потоком электронов в направлении тока.Следовательно, будет рекомбинация из-за потока этих носителей заряда.

Рекомбинация указывает на то, что электроны из зоны проводимости перескакивают в валентную зону. Когда электроны переходят из одной полосы в другую, электроны излучают электромагнитную энергию в виде фотонов, а энергия фотонов равна запрещенной энергетической щели.

Например, давайте рассмотрим квантовую теорию, энергия фотона является произведением постоянной Планка и частоты электромагнитного излучения.Математическое уравнение показано

Уравнение = hf

Где его называют постоянной Планка, а скорость электромагнитного излучения равна скорости света, т.е. c. Частота излучения связана со скоростью света как f = c / λ. λ обозначается как длина волны электромагнитного излучения, и приведенное выше уравнение будет иметь вид

Eq = he / λ

Из приведенного выше уравнения можно сказать, что длина волны электромагнитного излучения обратно пропорциональна ширине запрещенной зоны.В обычных кремниевых и германиевых полупроводниках эта запрещенная энергетическая щель находится между условием и валентными зонами, так что полное излучение электромагнитной волны во время рекомбинации находится в форме инфракрасного излучения. Мы не можем видеть длины инфракрасных волн, потому что они находятся за пределами нашего видимого диапазона.

Инфракрасное излучение считается тепловым, потому что кремний и германий полупроводники не являются прямозонными полупроводниками, а являются непрямозонными полупроводниками.Но в прямозонных полупроводниках максимальный уровень энергии валентной зоны и минимальный уровень энергии зоны проводимости не возникают в один и тот же момент электронов. Следовательно, во время рекомбинации электронов и дырок происходит миграция электронов из зоны проводимости в валентную зону, импульс электронной зоны будет изменяться.

Белые светодиоды

Производство светодиодов может осуществляться двумя способами. В первом методе светодиодные чипы, такие как красный, зеленый и синий, объединены в одном корпусе для генерации белого света; тогда как во втором методе используется фосфоресценция.Флуоресценцию внутри люминофора можно суммировать в окружающей эпоксидной смоле, тогда светодиод будет активирован коротковолновой энергией с помощью светодиодного устройства InGaN.

Огни разного цвета, такие как синий, зеленый и красный, комбинируются в изменяемых количествах для получения различного цветового ощущения, известного как основные аддитивные цвета. Эти три интенсивности света складываются в равной степени, чтобы получить белый свет.

Но для достижения этой комбинации с помощью комбинации зеленого, синего и красного светодиодов требуется сложная электрооптическая конструкция для управления сочетанием и распространением различных цветов.Кроме того, этот подход может быть усложнен из-за изменений в цвете светодиода.

Линейка белых светодиодов в основном зависит от одиночного светодиодного чипа с люминофорным покрытием. Это покрытие генерирует белый свет при попадании через ультрафиолетовые фотоны или синие фотоны. Тот же принцип применяется и к люминесцентным лампам; излучение ультрафиолета от электрического разряда внутри трубки заставит люминофор мигать белым.

Несмотря на то, что этот процесс светодиода может генерировать разные оттенки, различия можно контролировать с помощью экранирования.Устройства на основе белых светодиодов экранируются с использованием четырех точных координат цветности, которые примыкают к центру диаграммы CIE.

Диаграмма CIE описывает все достижимые цветовые координаты в пределах подковообразной кривой. Чистые цвета лежат над дугой, но белый кончик находится в центре. Цвет белого светодиода на выходе может быть представлен четырьмя точками, которые представлены в середине графика. Несмотря на то, что координаты четырех графиков близки к чистому белому, эти светодиоды обычно не эффективны, как обычный источник света, для освещения цветных линз.

Эти светодиоды используются в основном для белых линз, в противном случае прозрачных линз, непрозрачной подсветки. Когда эта технология будет развиваться, белые светодиоды наверняка завоюют репутацию источника освещения и индикации.

Световая отдача

Световая отдача светодиодов может быть определена как создаваемый световой поток в лм для каждого блока, а электрическая мощность может использоваться в пределах Вт. Номинальная внутренняя эффективность светодиода синего цвета составляет 75 лм / Вт; Желтые светодиоды имеют 500 лм / Вт, а красные светодиоды — 155 лм / Вт.Из-за внутренней реабсорбции потери могут быть приняты во внимание; порядок световой отдачи составляет от 20 до 25 лм / Вт для зеленых и желтых светодиодов. Это определение эффективности также известно как внешняя эффективность и аналогично определению эффективности, обычно используемому для других типов источников света, таких как многоцветные светодиоды.

Многоцветный светодиод

Светоизлучающий диод, который выдает один цвет при подключении в прямом смещении и выдает один цвет при подключении в обратном смещении, известен как многоцветный светодиод.

Фактически, эти светодиоды включают в себя два PN-перехода, и их соединение может быть выполнено параллельно с анодом одного, который соединен с катодом другого.

Многоцветные светодиоды обычно красные, когда они смещены в одном направлении, и зеленые, когда они смещены в другом направлении. Если этот светодиод включается очень быстро при двух полярностях, он будет генерировать третий цвет. Зеленый или красный светодиод будет генерировать желтый цвет при быстром переключении назад и вперед между полярностями смещения.

В чем разница между диодом и светодиодом?

Основное различие между диодом и светодиодом состоит в следующем.

Диод

Светодиод

Полупроводниковый прибор, такой как диод, проводит просто в одном направлении. Светодиод — это один из типов диодов, используемых для генерации света.
Конструкция диода может быть выполнена из полупроводникового материала, и поток электронов в этом материале может придать их энергии тепловую форму. Светодиод разработан с использованием фосфида галлия и арсенида галлия, электроны которых могут генерировать свет, передавая энергию.

Диод преобразует переменный ток в постоянный Светодиод меняет напряжение на свет
Имеет высокое обратное напряжение пробоя Имеет низкое обратное напряжение пробоя.
Напряжение в открытом состоянии диода составляет 0,7 В для кремния, тогда как для германия оно равно 0.3в Напряжение включения светодиода составляет приблизительно от 1,2 до 2,0 В.
Диод используется в выпрямителях напряжения, схемах ограничения и фиксации, умножителях напряжения.

Применение светодиодов: светофоры, автомобильные фары, медицинские приборы, вспышки для фотоаппаратов и т. Д.
ВАХ светодиода

На рынке доступны различные типы светодиодов, и существуют различные характеристики светодиодов, в том числе цветовой свет или длина волны излучения, интенсивность света.Важной характеристикой светодиода является цвет. При запуске светодиода используется только красный цвет. Поскольку использование светодиодов увеличивается с помощью полупроводникового процесса и исследования новых металлов для светодиодов, были сформированы различные цвета.

ВАХ светодиода

На следующем графике показаны приблизительные кривые между прямым напряжением и током. Каждая кривая на графике обозначает свой цвет. В таблице приведены сводные характеристики светодиодов.

Характеристики светодиода
Какие бывают два типа конфигураций светодиодов?

Стандартные конфигурации светодиода — это два типа излучателей, а также COB

Эмиттер представляет собой одиночный кристалл, который крепится к печатной плате, а затем к радиатору. Эта печатная плата передает электроэнергию на излучатель, а также отводит тепло.

Чтобы помочь снизить стоимость, а также повысить однородность света, исследователи определили, что подложку светодиода можно отсоединить, а одиночный кристалл можно установить на печатной плате открыто.Так что эта конструкция называется COB (chip-on-board array).

Преимущества и недостатки светодиодов

К преимуществам светодиода можно отнести следующее.

  • Стоимость светодиодов меньше и они крошечные.
  • С помощью светодиода контролируется электричество.
  • Яркость светодиода меняется с помощью микроконтроллера.
  • с длительным сроком службы
  • Энергоэффективность
  • Без периода прогрева
  • Прочный
  • Не влияет на низкие температуры
  • Направленный
  • Отличная цветопередача
  • Экологичность
  • управляемый

К недостаткам светодиода можно отнести следующее.

  • Цена
  • Температурная чувствительность
  • Температурная зависимость
  • Качество света
  • Электрическая полярность
  • Чувствительность по напряжению
  • Падение КПД
  • Воздействие на насекомых
Применение светодиода

Существует множество применений светодиодов, некоторые из которых описаны ниже.

  • Светодиод используется в качестве лампочки в домах и на производстве
  • Светодиоды используются в мотоциклах и автомобилях
  • Они используются в мобильных телефонах для отображения сообщения
  • На светофоре используются светодиоды

Таким образом, в данной статье рассматривается принцип работы и применения светодиодной схемы.Надеюсь, прочитав эту статью, вы получили некоторую основную и рабочую информацию о светодиодах. Если у вас есть какие-либо вопросы об этой статье или о электрическом проекте последнего года, пожалуйста, не стесняйтесь оставлять комментарии в разделе ниже. Вот вам вопрос, Что такое светодиод и как он работает?

Справочник по проектированию электротехники и вычислительной техники

В 2014 году Нобелевская премия по физике была присуждена группе исследователей, которые изобрели новый тип светодиодного диода.Светоизлучающие диоды (светодиоды) существуют уже давно, так что же делает этот новый вариант таким особенным? В этой статье рассказывается, как работают светодиоды и в чем особенность этой светоизлучающей технологии.

Светоизлучающие диоды — или сокращенно светодиоды — представляют собой разновидность полупроводников, которые генерируют свет, когда через них проходит ток. Впервые изобретенные в 1962 году светодиоды всегда использовались в качестве индикаторных ламп, но в течение долгого времени их низкий уровень или яркость не позволяли им использовать традиционные осветительные приборы.Благодаря последним достижениям в технологиях они начали заменять лампы накаливания в повседневном использовании. В этой статье будут представлены светодиоды, рассмотрены технологии, области применения и почему определенный светодиод был удостоен Нобелевской премии по физике 2014 года.

Свет всегда был необходимостью для жизни, какой мы ее знаем. Для большинства существ, включая древних людей, свет исходил от солнца. Открытие огня, изобретение мифологических масштабов привело к появлению первого в мире искусственного и управляемого источника света, освещающего пещеры, маленькие домики в прериях и большие викторианские поместья.Следующая веха наступила не за тысячи лет, когда была изобретена лампа накаливания. Лампа накаливания будет безраздельно властвовать около века, пока не будут изобретены люминесцентные лампы, а затем, наконец, светодиодные лампы.

Светодиодные лампы

приобрели огромную популярность в последние несколько лет, потому что они могут быть такими же яркими, как лампы накаливания, но с более высокой эффективностью и более длительным ожидаемым сроком службы.

Но есть неучтенные полвека, в течение которых светодиоды существовали, а светодиодные лампочки — нет.В первые несколько лет светодиоды могли только генерировать крошечные, едва видимые количества света; идея освещения любого реального пространства была совершенно неосуществимой. В целом светодиодным лампам не хватало ценовой эффективности и энергоэффективности. Метрика для измерения эффективности лампочки — лм / Вт, или люмен на ватт. Люмен — это мера яркости света на площади, а ватт — мера потребления энергии. Проще говоря, световая эффективность — это (яркость / энергия).

Рисунок 1

Типы светодиодов.Источник: Автор.

Прежде чем мы начнем говорить о светодиодах, было бы неплохо обсудить физику, лежащую в основе самого света. Свет — это разновидность электромагнитной волны. Обыденный свет, который мы думаем как «Свет», на самом деле представляет собой лишь узкую полосу электромагнитного спектра. Другие виды электромагнитных волн — это радиоволны, микроволны, рентгеновские лучи и гамма-лучи. Все это формы света, но они находятся за пределами видимого спектра, поэтому мы не рассматриваем их как традиционный свет.Длина волны света будет определять, что это за волна, а в видимом спектре света она также будет определять цвет света: как показано на рисунке 2, свет с длиной волны примерно 700 нм будет казаться красным, а свет с длиной волны около 400 нм будет казаться синим или фиолетовым.

Рисунок 2

Электромагнитный спектр видимого света.

Это означает, что если у нас есть свет определенной длины волны, мы увидим его только в этом цвете.Повседневные предметы имеют цвет, потому что они отражают одни длины волн света больше, чем другие. Зеленое яблоко отражает зеленый свет, красный пожарный гидрант отражает красный свет. Если направить красный свет на зеленое яблоко, свет будет поглощаться, а не отражаться. Белый свет — это сочетание всех цветов света. Когда один светит белым светом на зеленое яблоко, зеленый цвет отражается, но все остальные цвета поглощаются. Следовательно, свет, исходящий от яблока, будет зеленым, а яблоко кажется зеленым для человеческого глаза.

Не существует определенной длины волны видимого света с белым цветом. Это потому, что можно генерировать разные цвета света, комбинируя несколько разных длин волн света. Белый свет на самом деле представляет собой равную комбинацию всех длин волн видимого света. Типичная лампочка с беловато-желтым светом возникает, когда свет излучает большинство цветов света, но излучает больше света с желтой длиной волны, чем другие. Типичный спектр излучения бытовой лампочки можно увидеть ниже в Таблице 1.Наше Солнце также имеет сильный желтый спектр, а другие звезды, которые кажутся красными или синими, имеют соответствующую интенсивность цвета.

С другой стороны, светодиоды

излучают свет лишь с небольшими длинами волн. Это связано с тем, что материалы, из которых сделаны светодиоды, в отличие от звезд или ламп накаливания, способны излучать только несколько длин волн при электрическом возбуждении. Как показано в таблице 1, разные светодиоды имеют разные спектры излучения: каждый с очень тонким спектром излучения. Светодиоды излучают только один цвет света не потому, что они имеют цветной пластик поверх белого света, а потому, что они излучают свет только с одной длиной волны.

Таблица 1

ЭМ-спектры разных цветов.

Белый свет
Красный свет
Зеленый свет
Синий свет

Модель атома Бора объясняет, как атомы излучают различный свет. Типичный атом имеет некоторое количество как электронов, так и протонов: обычно эти числа равны и определяют поведение атома.Как правило, электроны имеют оболочки: каждая с разной связанной энергией.

Когда атом получает энергию (электрическую, тепловую, механическую и т. Д.), Электроны могут перемещаться на оболочки с более высокой энергией. Затем, когда электроны движутся обратно к более низким энергетическим оболочкам, они излучают свет определенной длины волны. Это чрезмерное упрощение поведения, но важный вывод заключается в том, что есть только несколько определенных частот света, которые могут излучаться атомами.

Типичная работа лампы накаливания показана на Рисунке 3.Когда электричество проходит через катушку из определенного материала, электроны врезаются в атомы материала, возбуждая их. Затем, когда атомы теряют энергию, они излучают свет. Лампы накаливания заставляют электроны переходить на более высокие уровни энергии, а затем, когда электроны падают вниз, излучается свет. Однако лампы накаливания грубо ускоряют этот процесс: нет никакого контроля над тем, как энергия поглощается и высвобождается. Это означает, что цвет света, исходящего от лампы накаливания, по сути случайный, и состав всех этих случайных цветов представляет собой белый свет, который мы видим от этих ламп.

Рисунок 3

Работа лампы накаливания.

Светодиоды излучают свет иначе, чем лампы накаливания. В то время как нити накаливания беспорядочно и беспорядочно излучают свет с множеством длин волн, светодиоды выполняют этот процесс гораздо более регулируемым и утонченным образом. Посредством процесса, известного как рекомбинация, электроны, текущие в одном направлении, соединяются с дырками — ток, который течет через отсутствие электронов, — течет в другом направлении. Когда эти два тока встречаются, электроны и дырки рекомбинируют, восстанавливая электрическую нейтральность проводника.Электроны будут находиться на более высоком уровне энергии, чем дырки, поэтому, когда электрон падает, он излучает желаемую длину волны света.

Рисунок 4

Работа светодиода.

Различные цвета светодиода генерируются за счет контроля того, насколько глубоко электрон попадает в дырку, с которой он соединяется. Световые волны разной длины создаются разным потенциалом напряжения между двумя токами. Как правило, цвет и интенсивность излучаемого света зависят от химического состава полупроводника.Излучающие инфракрасное излучение светодиоды, которые излучают длину волны немного длиннее, чем видимый красный свет, были первыми светодиодами, изобретенными еще в 1962 году. (Холл и др.) Инфракрасные светодиоды впервые были изготовлены из арсенида галлия (GaAs. Путем добавления фосфора для получения GaP или галлия). Фосфидные диоды, всевозможные другие цвета, такие как красный, зеленый и желтый. Было проделано много работы по открытию новых полупроводников, которые излучают цвета более ярко или более эффективно, но в течение очень долгого времени исследователи изо всех сил пытались создать синие светодиоды, не говоря уже о доступных голубых. свет.

В течение долгого времени ученые и исследователи гнались за святым Граалем — изготовлением синих или коротковолновых светодиодов. Зеленый и красный светодиоды уже существовали, но для создания белого светодиода также потребовался голубой свет. Проблема заключалась в том, что, хотя синие светодиоды можно было сделать из GaN или нитрида галлия, выращивание чистой кристаллической решетки материала оказалось исключительно трудным. Только в 1989 году первые синие светодиоды появились в исследовательских лабораториях благодаря совершенно новым технологиям изготовления, которые обеспечили новый уровень точности и контроля процесса.К 1992 году добавление нитрида алюминия-галлия (AlGaN) и слоев нитрида галлия индия (GaInN) улучшило световую эффективность в десять раз. С тех пор эффективность снова выросла в десять раз. За свои усилия в этом развитии Исаму Акасаки, Хироши Амано и Сюдзи Накамура были удостоены Нобелевской премии по физике 2014 года.

В одиночку синий светодиод ничего не значит. В наши дни чисто синие светодиоды в основном используются для кнопок питания или других наклеек и индикаторов. Изобретение синего светодиода не было важным, потому что он синий, это важно, потому что он позволил использовать белый светодиодный свет.Когда горит красный светодиод. Зеленый светодиод и синий светодиод помещаются в непосредственной близости друг от друга, и свет рассеивается, в результате получается белый светодиод. А если горят только один или два светодиода, можно создать свет любого цвета. Другой метод создания белого света известен как регулировка спектра.

Регулировка спектра происходит, когда свет поглощается, а затем снова переизлучается. Таким образом можно изменить цвет и внешний вид света. Однако есть предостережение, что свет может быть смещен только на более длинные волны.Если бы материал был способен поглощать свет с длинной длиной волны и излучать такое же количество более короткой длины волны, это нарушило бы закон сохранения энергии. Вот почему было невозможно получить синий свет от других диодов. Однако на самом деле работает обратный процесс: если синий диод проходит через желтый люминофор, синий и желтый соединяются в белый свет, хорошо подходящий для повседневных задач.

До того, как светодиоды стали доступны в качестве домашних светильников, они служили индикаторами в устройствах и используются по сей день.Светодиоды в качестве индикаторов являются важным и мощным инструментом обучения для начинающих электронщиков: они обеспечивают немедленную обратную связь о том, правильно ли работает схема. Фактически, одна из первых программ, которую напишет любой, кто изучает платформу Arduino, называется «мигание», и все, что она делает, это мигает светодиодом.

Помимо домов и фар, светодиодные лампы начали проникать в городские офисы планирования. Благодаря своей эффективности и долгому сроку службы светодиодные уличные фонари начали постепенно использоваться во многих городах по всему миру, включая Сомервилль, Арлингтон и многие другие города Массачусетса.Светодиоды как свет — это то место, где за последние несколько лет произошел большой прорыв, поэтому главный вопрос сейчас заключается в том, в сколько устройств мы можем интегрировать светодиоды и как быстро мы можем интегрировать эти красивые формы освещения в инфраструктуру общества.

Теперь, когда светодиоды превзошли традиционные методы освещения с точки зрения срока службы и эффективности, они открыли шлюзы эффективности для других технологий, использующих свет. Например, ЖК-телевизоры когда-то требовали больших люминесцентных ламп, которые фильтровались бы через ЖК-дисплей для вывода изображения на экран.Использование вместо них массива белых светодиодов не только резко снижает энергопотребление, но и позволяет создавать более контрастные экраны, фактически уменьшая свет в определенных областях, а не просто фильтруя его.

Что касается экранов, то некоторые экраны полностью сделаны из органических светодиодов или органических светодиодов. В отличие от стандартных светодиодов, которые обычно имеют небольшую светоизлучающую площадь, OLED-светодиоды состоят из множества плоских листов, которые образуют полную поверхность, способную излучать свет. OLED-светодиоды уменьшают толщину устройств и позволяют использовать экраны, состоящие только из светодиодов — ЖК-фильтр не требуется.Хотя технологии и химический состав отличаются от обычных светодиодов, они по-прежнему актуальны как один из следующих больших рубежей светодиодов.

Процитируем статью об этом изобретении, получившую Нобелевскую премию: «Лампы накаливания зажгли ХХ век; 21 век будет освещен светодиодными лампами. «По сравнению с лампами накаливания светодиоды лучше почти во всех отношениях. У них меньше энергетический след, у них более длительный срок службы, и их можно поместить в меньшую упаковку. На освещение приходится 19% энергии, которую использует весь мир, а на лампы накаливания эффективность только 5%.Если бы вся эта энергия пошла на лампы накаливания, это означало бы, что более 18% мировой энергии немедленно терялось бы в виде тепла. Это огромная сумма. Светодиоды дороже в создании и производстве, но они окупаются за счет экономии энергии в кратчайшие сроки.

Новые технологии часто борются с массовой адаптацией. Однако из-за короткого срока службы ламп накаливания процесс их вывода из эксплуатации намного проще, чем мог бы быть. Поскольку потребление энергии во всем мире растет, интеграция этой технологии может стать ключом к сопротивлению.Синие светодиоды используются не только для освещения, они также появляются в новых экранах на основе светодиодов и OLED для телевизоров и телефонов. При ближайшем рассмотрении многих устройств светодиоды гораздо более распространены и имеют гораздо большее значение для повседневных технологий, чем можно было бы подумать.

  • Акасаки И. (2007). Ключевые изобретения в истории синих светодиодов на основе нитридов и LD 300 (1). DOI: 10.1016 / j.jcrysgro.2006.10.259
  • Aspense, D.E., Studna, A.A. (1983). Диэлектрические функции и оптические параметры Si, Ge, GaP, GaAs, GaSb, InP, InAs и InSb от 1.От 5 до 6,0 эВ. Phys. Ред. B 27 (2). DOI: 10.1103 / PhysRevB.27.985
  • Бергстром, Л., Делсинг, П., Л’Юилье, А., Инганас, О., Роуз, Дж., Синие светодиоды — наполняя мир новым светом. Получено из Шведской королевской академии наук
  • Холл, Р.Н., Феннер, Г.Э., Кингсли, Д.Д., Солтис, Т.Дж., Карлсон, Р.О. (). Когерентное излучение света из переходов GaAs. Phys. Rev. Letters 9 (9). DOI: 10.1103 / PhysRevLett.9.366
  • Калиновск, Дж., Ди Марко, П., Фаттори, В., Джулетти, Л., Кокки, М., (1998). Эволюция спектров излучения органических светодиодов под действием напряжения. Журнал прикладной физики
    , 4242-4242. DOI: 10.1063 / 1.367181
  • Kamtekarm, K., Monkman, A., Bryce, M., (2009) Последние достижения в области белых органических светоизлучающих материалов и устройств (WOLED). Adv. Матер. 2010, 22, 572–582. DOI: 10.1002 / adma.200

    8
  • Park, J., Lee J.H., Raju, S.R., Moon, B.K., Jeong, J.H., Choi, B.C., Kim, J.H. (2014). Керамикс Интернешнл, 40 (4).DOI: 10.1016 / j.ceramint.2013.11.007
  • Сато Т., Имаи М. (2002). Характеристики светодиодов на основе GaAsP, легированных азотом. Jpn. J. Appl. Phys. DOI: 10.1143 / JJAP.41.5995

Как и почему работают светодиоды

Светодиоды (LED) стали основой освещения в последние годы. Но знаете ли вы, что эти осветительные электростанции существуют уже более полувека? 9 октября 2017 г. исполнится 55 лет со дня рождения ученого General Electric Ника Холоняка-младшего.Создание первого практичного светодиода видимого спектра.

Когда Холоняк создал светодиодный свет в 1962 году, его коллеги из GE назвали его «волшебным», потому что его свет, в отличие от инфракрасных лазеров, был виден человеческим глазом. Что еще более удивительно, Холоняк не пытался создать свет, который заменил бы лампы накаливания; его целью было создать полупроводниковый лазер видимого диапазона.

Спустя все эти годы светодиодные фонари используются почти повсюду — от освещения для выставок и выставок до вывесок и дисплеев и даже светодиодных ресниц!

Как работают светодиодные фонари?

Светодиодные лампы

не похожи на лампы накаливания, которые излучают свет, когда электрический ток проходит через вольфрамовую нить.Эти нити необходимо нагреть до температуры, при которой возникает свет, поэтому лампы накаливания такие теплые на ощупь.

Вместо этого светодиодные лампы освещаются исключительно движением электронов в полупроводниковом материале. Никакого дополнительного тепла или энергии не производится, что придает светодиодным лампам их энергоэффективность и чрезвычайно долгий срок службы. Холоняк назвал светодиоды «высшей лампой», потому что «свет — это сам ток».

Как определить качество светодиода

Основным компонентом светодиодных светильников является светодиодный чип, который отвечает за создание света.Например, светодиодная лента может содержать сотни светодиодных чипов.

Но, к сожалению, если у вас нет глубоких знаний о светодиодах, вы не можете сказать, просто взглянув на два чипа, которые являются более качественными.

Один из лучших способов определить качество светодиодного чипа — это проверить, внесены ли продукты в списки UL или сертифицированы UL. UL означает Underwriters Laboratories, одну из крупнейших и наиболее уважаемых в мире организаций по безопасности потребителей. Логотип UL означает, что продукт прошел всесторонние испытания и соответствует высоким стандартам.Многие продукты HitLights имеют официальный знак UL.

Если вы смотрите на светодиодные ленты, другой способ определить качество — это посмотреть на толщину платы, на которой печатаются светодиодные лампы. Более тонкие материалы более хрупкие, а более толстые материалы, такие как используемые HitLights, более долговечны.

Почему светодиодное освещение лучше

На 50-летие своего творения в 2012 году Холоняк работал с новой светодиодной лампой GE на 27 Вт, разработанной для замены лампы эквивалента 100 Вт, когда он сказал: «Я подумал, что это будет неуклюже.”

Компактные размеры светодиодных фонарей — главная причина их популярности. Они могут поместиться в небольших помещениях, например под стеллажами или торговыми витринами, и даже вокруг окон, чтобы привлечь внимание к бизнесу.

Светодиоды

также чрезвычайно энергоэффективны. Лампа накаливания требует примерно в 10 раз больше энергии для нагрева нити накала. Кроме того, светодиоды не излучают тепло, потому что электричество, проходящее через них, напрямую отвечает за тушение света. Таким образом, помимо того, что вам потребуется меньше энергии для самого освещения, вы также в конечном итоге потратите меньше денег и потребуете меньше энергии для работы кондиционера, чтобы компенсировать тепло, выделяемое не светодиодными лампами.

Тенденции в светодиодном освещении

Холоняк сказал в 2012 году, что, по его мнению, внедрение светодиодов «произойдет гораздо быстрее, чем через 50 лет». Но сейчас, когда популярность светодиодов продолжает набирать обороты, быстро появляются новые области применения и тенденции.

Адресные светодиодные ленты — одна из новейших тенденций в области освещения. Программное обеспечение используется для программирования каждого отдельного светодиодного чипа, что означает, что вы можете создавать множество потрясающих эффектов, таких как многоцветные световые импульсы или эффекты северного сияния.

Светодиодные ленты

RGBW — еще одна горячая тенденция в области светодиодного освещения.У них есть красные, зеленые, синие и белые огни, встроенные в полосы. В отличие от полосок RGB, которые могут имитировать только белый цвет, полосы RGBW создают более яркие и точные белые цвета.

Покупайте новейшие светодиодные фонари и аксессуары .

О HitLights

HitLights поставляет решения светодиодного освещения для выставок, дисплеев, вывесок, театральных постановок и кино, а также производства. Генеральный директор Бин Ю сформировал компанию в рамках программы бизнес-инкубатора Университета штата Луизиана в 2010 году.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *