Светодиод. Устройство, строение и принцип работы. Светодиодные лампы
Светодиод (также используется сокращение СИД — светоизлучающий диод; латинский эквивалент – LED: light-emitting diode) — это полупроводниковый прибор с электронно-дырочным р-n переходом, который продуцирует оптическое излучение, когда через него проходит электрический ток.
Принцип работы светодиода.
В основе работы Led светодиода лежит p-n-переход, так называемый электронно-дырочный переход. Работа светодиода построена на взаимодействии двух полупроводников p-типа и n-типа. P – positive, то есть положительный тип, или дырочный. N – negative, то есть отрицательный тип, или электронный. В результате пропускания электрического тока в месте соприкосновения двух полупроводников происходит переход от одного типа проводимости к другому.
Когда через полупроводники проходит электрический ток, отрицательный заряд электронов соединяются с ионами положительно заряженных дырок. В этот момент выделяется энергия, и мы видим излучение света.
Устройство светодиода.
Светодиоды имеют самые разные формы. Но самая распространенная конструкция светодиода — традиционный 5-миллиметровый корпус. У такого корпуса сверху расположена линза, а внизу рефлектор. Внутри корпуса располагается кристалл, который излучает свет при прохождении электрического тока.
Схема светодиода незамысловата: он имеет два вывода — анод и катод. На катоде как раз и расположен алюминиевый параболический рефлектор (отражатель). Он внешне выглядит, как чашеобразное углубление, на дно которого помещен кристалл. Полупроводниковый монокристалл – это основной элемент лед светодиода, в котором и происходит p-n-переход. Как правило, монокристалл имеет форму кубика размером 0,3×0,3×0,25 мм.
Кристалл соединен с анодом при помощи перемычки из золотой проволоки. Оптически прозрачный полимерный корпус являющийся одновременно фокусирующей линзой вместе с рефлектором определяют угол излучения светодиода и направленность пучка света.
Виды светодиодов, спектр и цвета.
Современные светодиоды бывают всех цветов радуги: красные, оранжевые, желтые, зеленые, синие, белые.
Свечение, которое излучает светодиод при подключении его к электрическому току, зависит не от цветовой окраски корпуса. Он зависит от материала, который используется при производстве полупроводника. Так, например, примеси алюминия, индия, гелия, фосфора вызывают свечение от красного до желтого цвета. Азот, галлий, индий придают излучаемому свету цвета от зеленого до голубого. Чтобы добиться белого свечения в кристалл добавляют люминофор, используемый для производства люминесцентных ламп.
Яркость и мощность светодиода.
Обычно светодиоды рассчитаны на силу тока в 20 мА. Производятся также, например, четырехъкристальные диоды, которые рассчитаны на 80 мА , так как в одном корпусе светодиода содержаться четыре полупроводниковых кристалла, каждый из которых потребляет 20 мА.
Логично предположить, что яркость светодиода зависит от его мощности. Чем больше мощность, тем больше яркость. Но есть ограничения для силы тока, определенные сопротивлением полупроводникового материала. Иначе может произойти электрический пробой, и лед диод может сгореть.
Светодиодные светильники нельзя подключать в электрическую сеть напрямую. Например, для подключения светодиодной ленты используются специальные устройства-трансформаторы. Правильно подобрать трансформатор вам поможет наш электрик в Королеве или наш мастер электрик в Юбилейном. Если вы живете в других городах Подмосковья, то для подключения светодиодной ленты вы можете, например, вызвать электрика в Мытищи или заказать услуги электрика в Щелково.
Основные характеристики светодиодов.
- Продолжительный ресурс работы: в зависимости от производителя и параметров от 30 000 до 100 000 часов. Для сравнения, срок службы электрических ламп накаливания составляет 1000 часов.
- Энергосберегающие технологии – для работы диода необходимо около 10% энергии, требуемой для обычной лампочки накаливания.
- Надежность и механическая прочность. Если изучить, почему перегорают электрические лампы накаливания, то можно увидеть, что одной из причин является простая вибрация. Для диода вибрация не страшна.
- Разнообразная цветовая гамма, а также выбор направления светового излучения.
- Лед светодиоды производятся из экологически чистых материалов, не содержат ртуть.
К сожалению, сегодня полки магазинов зачастую наводнены низкокачественными китайскими светодиодными лампами. И потому не всегда они являются настолько долговечными и надежными, как это заявлено производителями и номинальной технологией. Поэтому при покупке светодиодных ламп следует внимательно изучить их характеристики и отзывы. Выбирайте только качественные светодиодные светильники, и тогда они будут вас радовать долгие годы.
Если материал этой статьи был для вас интересен и полезен, поделитесь им со своими знакомыми в социальных сетях. Возможно, кому-то эта информация очень пригодится. C уважением, электрик Королёв.
elektrik-korolev.ru
принцип работы, устройство и особенности :: SYL.ru
Многие потребители хотят больше узнать об устройстве светодиодов, принципе работы этих электрических приборов, а также их технологических особенностях. Это связано с популяризацией LED-освещения в целом. Такие элементы представляют собой полупроводниковые изделия с электронно-дырочным переходом, позволяющим формировать оптическое излучение.
Как появилась специфическая светотехника?
Прежде чем рассмотреть принцип работы светодиодов, предлагается изучить информацию о том, каким образом они были созданы. Самое первое сообщение о возможности излучения света посредством твердотельного диода принадлежит одному британскому экспериментатору. Он сделал его еще в 1907 году, когда описал процесс электролюминесценции.
Эксперименты повторно проводились и в российской лаборатории, но тогда им не придали особого значения. В 1961 году первая светодиодная технология была запатентована сотрудниками американской компании. С тех пор процессы разработки совершенствовались. И через какое-то время удалось выпустить элемент высокой яркости для использования в телекоммуникационной сфере.
Об основных физических свойствах
Чтобы понять принцип работы светодиода, необходимо понимать, что каждый элемент – это полупроводниковый диод, преобразовывающий электроэнергию непосредственно в световое излучение. Когда по нему проходит прямой ток, осуществляется перенос электронов в конкретную область. В процессе перемещения происходит переход на другой энергетический уровень с выделением большого количества светового излучения.
Чтобы получить различные цветовые эффекты, в полупроводниковый материал внедряются активирующие вещества. Чаще всего применяется монохроматическое излучение. При таком варианте для каждого диода используется определенная длина волны. Цветовая гамма свечения может быть управляемой.
Наиболее важные особенности
Рассматривая подробное устройство и принцип работы светодиода, нельзя не отметить некоторые особенности. Излучение приборов находится в прямой зависимости от угла направленности, который зависит от конструкции. Определенное влияние на интенсивность излучения оказывают:
- материал, применяющийся непосредственно для защиты кристалла;
- установленная линза.
Полупроводниковый прибор способен выделять не только узконаправленный, но и рассеянный свет. Температурный режим внешней среды может оказывать влияние на свойства светодиодов. От него зависит их яркость. При повышении температуры свечение становится тусклее, а при понижении – ярче. В связи с этим сфера эксплуатации имеет особое значение.
Высокие требования предъявляются к продукции, предназначенной для наружного применения. Она должна исправно функционировать при значительных колебаниях температур. Яркость света в ходе эксплуатации не должна заметно изменяться. Современные решения позволяют обеспечить нормальное свечение, независимо от температуры окружающей среды.
Принцип работы светодиода основывается на высокой скорости действия. Излучение появляется в течение нескольких секунд после прямого воздействия электрического тока непосредственно на полупроводник. Изготавливаемые приборы могут иметь технологические отличия, от которых будет зависеть сфера применения.
Светодиоды типа DIP
Полупроводниковые элементы данной категории относятся к слаботочным изделиям, поэтому они в основном применяются для дополнительной подсветки. Обычно они устанавливаются в качестве индикаторов или основных источников в гирляндах. С появлением более совершенных технологий их производство существенно сократилось.
Принцип работы светодиода малой мощности сравнительно прост. В качестве основы выступает корпус, имеющий цилиндрическую форму. Он изготавливается из эпоксидной смолы. Во внутренней части находятся специальные выводы, вставленные в печатную плату. Закругленный цилиндр позволяет создать направленный световой поток.
Излучающий элемент в виде кристалла размещен на катоде, который напоминает небольшой флажок. Он при помощи сверхтонкого провода соединен с анодом. Встречаются изделия сразу с двумя или тремя кристаллами, имеющими разные цвета. При необходимости в корпус внедряется управляющий чип, необходимый для контроля над свечением.
Для наращивания уровня светового потока в таких светодиодах начали делать четыре вывода вместо двух. Однако при таком варианте нагрев кристалла значительно увеличился, что привело к ограничению возможной сферы применения.
Светодиоды типа SMD
Такие элементы имеют более широкое назначение, что связано с основными характеристиками. Принцип работы светодиодов данного типа позволяет организовывать освещение различных форматов. Полупроводниковые приборы с фиксированной печатной платой имеют компактные габариты, благодаря чему они могут использоваться даже в самых маленьких светильниках.
Базовая часть корпуса, на которую фиксируется кристалл, обладает высокой теплопроводностью, поэтому отвод тепла производится эффективно. Обычно между линзой и основным элементом укладывается слой люминофора, предоставляющий возможность нейтрализовать ультрафиолет, а также задать определенную цветовую температуру. В изделиях с рассеянным излучением линза не устанавливается. Сам элемент по форме напоминает параллелепипед.
Светодиоды типа COB
Подобные элементы начали использоваться для лампочек и фонарей с мощным светодиодом. Принцип работы изделий остается тем же, но к алюминиевой основе в данном случае крепятся десятки кристаллов при помощи диэлектрического клеевого состава. Полученная матрица обрабатывается одним слоем люминофора, в результате чего образуется световой источник с равномерным распределением основного потока.
Одной из разновидностей технологии является вариант с распределением большого количества кристаллов по стеклянной поверхности. По этой схеме изготавливаются филаментные лампы, у которых в качестве базового источника выступает центральный стержень из стекла, покрытый мелкими светодиодами и обработанный люминофором.
Технология RGB
Принцип работы RGB-светодиода основывается на оптическом эффекте, позволяющем получить разнообразные цветовые оттенки в результате смешения трех основных компонентов палитры. На одной матрице установлены сразу три кристалла. Для адаптации к различным условиям существует несколько модификаций изделий. Они изготавливаются с общим катодом или анодом, а иногда и без таковых (с шестью основными выводами).
Чаще всего световая технология используется для оформления рекламных щитов, декорирования строений, обрамления мостов, памятников архитектуры и других конструкций. Принцип работы многоцветного светодиода идентичен. Однако конструктивные особенности увеличивают конечную стоимость изделий и усложняют схему подсоединения к электрической сети.
Основные технические характеристики
Существует несколько параметров, характеризующих светодиоды.
- Яркость выражается в единицах силы света. Она пропорциональна величине проходящего через полупроводниковый элемент электрического тока. С увеличением напряжения повышается уровень яркости.
- Сила тока может быть пульсирующей или постоянной. Она может колебаться в широком диапазоне. Индикаторные приборы могут иметь силу тока всего 20 мА, а одноваттные аналоги – 300-400 мА.
- Длина волны оказывает влияние на цветовую гамму. Ее измерения производятся в нанометрах. Границы волны сопоставляются с базовыми компонентами палитры необходимым образом.
Цветовая гамма испускаемого излучения меняется при введении в полупроводниковый материал химически активных веществ.
Принцип работы драйвера для светодиодов
Для получения стабилизированного тока применяется специальное устройство, которое выбирается с учетом следующих параметров:
- определенной мощности;
- напряжения непосредственно на выходе;
- номинального тока.
Устанавливаемые драйверы могут быть линейными или импульсными. Первые из них призваны обеспечивать плавную стабилизацию электрического тока при изменчивом напряжении на входе. Импульсные приборы формируют в выходном канале высокочастотные толчки. Они отличаются высоким коэффициентом полезного действия.
Существуют еще диммируемые драйверы, предоставляющие возможность настраивать яркость свечения светодиодов. Днем интенсивность излучения можно несколько уменьшить, благодаря чему удастся экономить ресурс полупроводниковых изделий и электрическую энергию.
Интересующие вопросы
Теперь принцип работы светодиодов стал понятен, однако многие пользователи задают различные вопросы по этой теме.
- Какие параметры влияют на срок службы полупроводникового прибора? Есть утверждение, что светодиоды долговечны, но это не совсем так. При высокой силе тока в процессе эксплуатации увеличивается температура, поэтому более мощные устройства быстрее выходят из строя.
- Ухудшается ли цветовая передача светодиодов со временем? При длительной эксплуатации приборов происходит определенное изменение оттенка, но в настоящее время не существует каких-либо стандартов, позволяющих выразить это в количественном отношении.
- Не являются ли устройства вредными для человеческого глаза? Какие-либо сведения о негативном воздействии полупроводниковых элементов на данный момент времени отсутствуют.
- Почему необходимо стабилизировать электрический ток, проходящий через LED-устройство? Даже небольшие изменения напряжения способны привести к колебаниям яркости.
- Каким образом можно получить белый свет? Есть три основных варианта. Первый из них предполагает смешение компонентов палитры с применением технологии RGB. Второй вариант подразумевает нанесение три люминофора непосредственно на поверхность полупроводникового прибора, излучающего поток света в ультрафиолетовом диапазоне. В третьем способе люминофор наносится на голубой элемент.
В качестве заключения
В рамках статьи удалось подробно рассмотреть принцип работы светодиода. Для «чайников» (людей, не разбирающихся в современных технологиях LED) она станет, пожалуй, ценным пособием. В ней собрана наиболее полная информация, касающаяся устройства и функционирования современных осветительных систем, пользующихся высокой популярностью.
www.syl.ru
принцип действия, схемы, примеры и т.д.
Светодиод — диод с простым P-N переходом, главной особенностью которого является то, что он испускает свет, когда через него проходит ток. Используется во многих цифровых дисплеях, а также в других типах индикаторных устройств.
СветодиодОбратите внимание на основы электричества и на приборы электроники.
Принцип работы светодиода
Основные рабочие характеристики любого светоизлучающего диода сходны с характеристиками обычного диода. Когда подается напряжение, то электроны двигаются от материала N-типа через P-N переход и соединяются с отверстиями в материале P-типа. В обычных диодах энергия, которая возникает в результате соединения электронов с отверстиями, выделяется в виде тепла. Однако, когда речь идет о светодиодах, то энергия в них выделяется в первую очередь в виде света.
Схема светодиодаСветодиоды могут изготавливаться таким образом, что будут испускать красный, зеленый, голубой, инфракрасный или ультрафиолетовый свет. Это достигается путем изменения количества и типа материалов, которые используются в качестве присадки. Яркость света также может изменяться, что осуществляется с помощью управления количеством тока, проходящего через светодиод. Однако, как и любой другой диод, СИД имеет предельные значения тока, которые он может выдержать.
Где используются светодиоды
Одной из основных областей применения светодиодов является использование их в качестве сигнальных лампочек. Например, этот прибор может использоваться для того, чтобы проконтролировать идет ли по цепи ток или она обесточена.
Цепь с сигнальной лампочкой представляет собой ряд приборов, последовательно соединенных между собой: светодиод, резистор, выключатель и источник постоянного тока.
Схема типичной цепи с сигнальной лампочкойКогда выключатель цепи с сигнальной лампочкой замкнут, то напряжение прямого смещения от источника тока подается на светодиод (который разработан таким образом, чтобы срабатывать только, когда имеется прямое смещение). Электроны, которые прорываются через P-N переход, соединяются с отверстиями, в результате чего энергия высвобождается в виде света. Резистор, установленный в этой цепи, ограничивает протекание тока по ней, с тем, чтобы защитить светодиод от повреждений, которые может вызвать чрезмерный ток.
Светодиоды могут также использоваться в цифровых дисплеях, например, в наручных часах или калькуляторах.
С помощью высвечивания различных комбинаций из семи элементов на дисплее можно отображать любую цифру от нуля до девяти.
Каждый светодиод соединен последовательно с резистором и выключателем, где каждый выключатель представляет собой внешнюю управляющую цепь. Выключатели имеют обозначения от А до G, чтобы соответствовать элементам дисплея. Семь последовательных проводов соединены параллельно с источником постоянного тока. Для того, чтобы подать питание на какой-либо светодиод, замыкается соответствующий выключатель. Каждый последовательно включенный в цепь резистор ограничивает ток, проходящий по проводу, и, тем самым, предотвращает повреждение светодиодов от чрезмерно большого тока.
Цифры появляются на цифровом дисплее в результате различных сочетаний семи выключателей. Например, если выключатели А и В замкнуты, то соответствующие элементы на дисплее загорятся и образуют цифру 1. Подобным же образом цифра 2 может быть образована с помощью выключателей A, C, D, F и G, которые будут замкнуты одновременно.
Замыкая соответствующие выключатели в определенных комбинациях, на дисплее можно получать цифры от 0 до 9. Если элементы расположить несколько иным образом, то на дисплее можно получить знак плюса, минуса, десятичные точки или же буквы алфавита.
Светодиоды могут использоваться даже для обеспечения искусственного освещения для роста растений. Основными преимуществами светодиодов в этом случае являются: низкое потребление электричества и тепловыделения, а также возможность настройки необходимого спектра излучения.
www.kipiavp.ru