Электротехнический интернет-журнал Electrik.info

"Электрик Инфо" - онлайн журнал про электричество. Теория и практика. Обучающие статьи, примеры, технические решения, схемы, обзоры интересных электротехнических новинок. Уроки, книги, видео. Профессиональное обучение и развитие. Сайт для электриков и домашних мастеров, а также для всех, кто интересуется электротехникой, электроникой и автоматикой.
 


Схемы подключения | Принципиальные схемы | Электроснабжение
Розетки и выключатели | Автоматы защиты | Кабель и провод | Монтаж электропроводки Ремонт электротехники | Молодому электрику

Электрик Инфо » Все про светодиоды » Как устроены и работают светодиоды
Количество просмотров: 68321
Комментарии к статье: 8


Как устроены и работают светодиоды


Как устроены и работают светодиоды Излучающие свет полупроводниковые приборы широко используются для работы систем освещения и в качестве индикаторов электрического тока. Они относятся к электронным устройствам, работающим под действием приложенного напряжения.

Поскольку его величина незначительная, то подобные источники относятся к низковольтным приборам, обладают повышенной степенью безопасности по воздействию электрического тока на организм человека. Риски получения травм возрастают тогда, когда для их свечения используются источники повышенного напряжения, например, бытовой домашней сети, требующие включения в схему специальных блоков питания.

Отличительной чертой конструкции светодиода является более высокая механическая прочность корпуса, чем у ламп «Ильича» и люминесцентных. При правильной эксплуатации они работают долго и надежно. Их ресурс в 100 раз превышает показатели нитей накаливания, достигает ста тысяч часов.

Однако, этот показатель характерен для индикаторных конструкций. У мощных источников для освещения применяются повышенные токи, а срок эксплуатации снижается в 2÷5 раз.

Устройство светодиода

Обычный индикаторный светодиод изготавливают в эпоксидном корпусе с диаметром 5 мм и двумя контактными выводами для подключения к цепям электрического тока: анодом и катодом. Визуально они отличаются по длине. У нового прибора без обрезанных контактов катод короче.

Запомнить это положение помогает простое правило: с буквы «К» начинаются оба слова:

  • катод;

  • короче.

Когда же ножки светодиода обрезаны, то анод можно определить подачей на контакты напряжения 1,5 вольта от простой пальчиковой батарейки: свет появляется при совпадении полярностей.

Светодиод

Светоизлучающий активный монокристалл полупроводника имеет вид прямоугольного параллелепипеда. Он размещён около светоотражающего рефлектора параболической формы из алюминиевого сплава и смонтирован на подложке с нетокопроводящими свойствами.

Устройство светодиода

На окончании светового прозрачного корпуса из полимерных материалов расположена линза, фокусирующая световые лучи. Она совместно с рефлектором образует оптическую систему, формирующую угол потока излучения. Его характеризуют диаграммой направленности светодиода.

Девиация угла свечения светодиода

Она характеризует отклонение света от геометрической оси общей конструкции в стороны, что приводит к увеличению рассеивания. Такое явление возникает из-за появления при производстве небольших нарушений технологии, а также старения оптических материалов во время эксплуатации и некоторых других факторов.

Внизу корпуса может быть расположен алюминиевый или латунный поясок, служащий радиатором для отвода тепла, выделяемого при прохождении электрического тока.

Этот принцип конструкции широко распространен. На его основе создают и другие полупроводниковые источники света, использующие иные формы структурных элементов.

Конструкция светодиода

Принципы излучения света

Полупроводниковый переход p-n типа подключают к источнику постоянного напряжения в соответствии с полярностью выводов.

Принцип получения света полупроводником

Внутри контактного слоя веществ p- и n-типов под его действием начинается движение свободных отрицательно заряженных электронов и дырок, которые обладают положительным знаком заряда. Эти частицы направляются к притягивающим их полюсам.

В переходном слое заряды рекомбинируют. Электроны проходят из зоны проводимости в валентную, преодолевая уровень Ферми.

За счет этого часть их энергии освобождается с выделением световых волн различного спектра и яркости. Частота волны и цветопередача зависят от вида смешанных материалов, из которых сделан p-n переход.

Для излучения света внутри активной зоны полупроводника требуется соблюсти два условия:

1. пространство запрещенной зоны по ширине в активной области должно быть близко к энергии излучаемых квантов внутри видимого человеческому глазу диапазона частот;

2. чистоту материалов полупроводникового кристалла необходимо обеспечивать высокую, а количество дефектов, влияющих на процесс рекомбинации — минимально возможным.

Эта сложная техническая задача решается несколькими путями. Один из них — создание нескольких слоев p-n переходов, когда образуется сложная гетероструктура.

Влияние температуры

При увеличении уровня напряжения источника сила тока через полупроводниковый слой возрастает и свечение увеличивается: в зону рекомбинации поступает повышенное количество зарядов за единицу времени. Одновременно происходит нагрев токоведущих элементов. Его величина критична для материала внутренних тоководов и вещества p-n перехода. Излишняя температура способна их повредить, разрушить.

Внутри светодиодов энергия электрического тока переходит в световую непосредственно, без излишних процессов: не так, как у ламп с нитями накаливания. При этом образуются минимальные потери полезной мощности, обусловленные низким нагреванием токопроводящих элементов.

Рабочая температура светодиода и нити накаливания

За счет этого создается высокая экономичность этих источников. Но, их можно применять только там, где сама конструкция защищена, блокирована от внешнего нагрева.

Особенности световых эффектов

При рекомбинации дырок и электронов в разных составах веществ p-n перехода создается неодинаковое излучение света. Его принято характеризовать параметром квантового выхода — количеством выделенных световых квантов для единичной рекомбинированной пары зарядов.

Он формируется и происходит на двух уровнях светодиода:

1. внутри самого полупроводникового перехода — внутренний;

2. в конструкции всего светодиода в целом — внешний.

На первом уровне квантовый выход у правильно выполненных монокристаллов может достигать величины, близкой к 100%. Но, для обеспечения этого показателя требуется создавать большие токи и мощный отвод тепла.

Внутри самого источника на втором уровне часть света рассеивается и поглощается элементами конструкции, чем снижает общую эффективность излучения. Максимальное значение квантового выхода здесь намного меньше. У светодиодов, испускающих красный спектр, оно достигает не более 55%, а у синих снижается еще больше — до 35%.

Виды цветовой передачи света

Современные светодиоды излучают:

  • желтый:

  • зеленый;

  • красный;

  • синий;

  • голубой;

  • белый свет.

Желто-зеленый, желтый и красный спектр

В основе p-n перехода используются фосфиды и арсениды галлия. Эта технология была реализована в конце 60-х годов для индикаторов электронных приборов и панелей управления транспортной техники, рекламных щитов.

Такие устройства по светоотдаче сразу обогнали основные источники света того времени — лампы накаливания и превзошли их по надежности, ресурсу и безопасности.

Голубой спектр

Излучатели синего, сине-зеленого и особенно белого спектров долго не поддавались практической реализации из-за трудностей комплексного решения двух технических задач:

1. ограниченных размеров запрещенной зоны, в которой осуществляется рекомбинация;

2. высоких требований к содержанию примесей.

Для каждой ступени повышения яркости синего спектра требовалось увеличение энергии квантов за счет расширения ширины запретной зоны.

Вопрос удалось разрешить включением в вещество полупроводника карбидов кремния SiC или нитридов. Но, у разработок первой группы оказался слишком низкий КПД и маленький выход излучения квантов для одной рекомбинированной пары зарядов.

Повысить квантовый выход помогло включение в полупроводниковый переход твердых растворов на основе селенида цинка. Но, такие светодиоды обладали повышенным электрическим сопротивлением на переходе. За счет этого они перегревались и быстро перегорали, а сложные в изготовлении конструкции отвода тепла для них эффективно не работали.

Впервые светодиод голубого свечения удалось создать при использовании тонких пленок из нитрида галлия, наносимых на сапфировую подложку.

 

Белый спектр

Для его получения используют одну из трех разработанных технологий:

1. смешивание цветов по методике RGB;

2. нанесение трех слоев из красного, зеленого и голубого люминофора на светодиод ультрафиолетового диапазона;

3. покрытие голубого светодиода слоями желто-зеленого и зелено-красного люминофора.

При первом способе на единой матрице размещают сразу три монокристалла, каждый из которых излучает свой спектр RGB. За счет конструкции оптической системы на основе линзы эти цвета смешивают и получают на выходе суммарный белый оттенок.

У альтернативного метода смешение цветов происходит за счет последовательного облучения ультрафиолетовым излучением трех составляющих слоев люминофора.

Особенности технологий белого спектра

Методика RGB

Она позволяет:

  • задействовать в алгоритме управления освещением различные комбинации монокристаллов, подключая их поочередно вручную или автоматизированной программой;

  • вызывать различные цветовые оттенки, меняющиеся по времени;

  • создавать эффектные осветительные комплексы для рекламы.

Простым примером такой реализации служат цветовые елочные гирлянды. Подобные алгоритмы также широко используют дизайнеры.

Недостатками светодиодов RGB конструкции являются:

  • неоднородный цвет светового пятна по центру и краям;

  • неравномерный нагрев и отвод тепла с поверхности матрицы, ведущий к разным скоростям старения p-n переходов, влияющий на балансировку цветов, изменению суммарного качества белого спектра.

Эти недостатки вызваны разным расположением монокристаллов на базовой поверхности. Они сложно устраняются и настраиваются. За счет подобной технологии RGB модели относятся к наиболее сложным и дорогим разработкам.

Светодиоды с люминофором

Они проще в конструкции, дешевле в производстве, экономичнее при пересчетах на излучение единицы светового потока.

Для них характерны недостатки:

  • в слое люминофора происходят потери световой энергии, которые понижают светоотдачу;

  • сложность технологии нанесения равномерного слоя люминофора влияет на качество цветовой температуры;

  • люминофор обладает меньшим ресурсом, чем сам светодиод и быстрее стареет при эксплуатации.

 

Особенности светодиодов разных конструкций

Модели с люминофором и RGB-изделия создаются для разного промышленного и бытового применения.

Способы питания

Индикаторный светодиод первых массовых выпусков потреблял около 15 мА при питании от чуть меньшей величины, чем два вольта постоянного напряжения. Современные изделия имеют повышенные характеристики: до четырех вольт и 50 мА.

Светодиоды для освещения питаются таким же напряжением, но потребляют уже несколько сотен миллиампер. Производители сейчас активно разрабатывают и проектируют устройства до 1 А.

С целью повышения эффективности светоотдачи создаются светодиодные модули, которые могут использовать последовательную подачу напряжения на каждый элемент. В таком случае его величина возрастает до 12 либо 24 вольт.

При подаче напряжения на светодиод требуется учитывать полярность. Когда она нарушена, то ток не проходит и свечения не будет. Если же используется переменный синусоидальный сигнал, то свечение происходит только при прохождении положительной полуволны. Причем его сила так же пропорционально меняется по закону появления соответствующей величины тока с полярным направлением.

Следует учитывать, что при обратном напряжении возможен пробой полупроводникового перехода. Он происходит при превышении 5 вольт на одном монокристалле.

Способы управления

Для регулировки яркости излучаемого света применяют один из двух методов управления:

1. величиной подключаемого напряжения;

2. использованием широтной импульсной модуляции — ШИМ.

Первый способ простой, но неэффективный. При снижении уровня напряжения ниже определённого порога светодиод может просто потухнуть.

Метод же ШИМ исключает подобное явление, но он значительно сложнее в технической реализации. Ток, пропускаемый через полупроводниковый переход монокристалла, подается не постоянной формой, а импульсной высокой частоты со значением от нескольких сотен до тысячи герц.

За счет изменения ширины импульсов и пауз между ними (процесс называют модуляцией) осуществляется регулировка яркости свечения в широких пределах. Формированием этих токов через монокристаллы занимаются специальные программируемые управляющие блоки со сложными алгоритмами.

Спектр излучения

Частота выходящего из светодиода излучения лежит в очень узкой области. Ее называют монохроматической. Она кардинальным образом отличается от спектра волн, исходящего от Солнца или нитей накаливания обычных осветительных ламп.

О влиянии такого освещения на человеческий глаз ведется много дискуссий. Однако, результаты серьезных научных анализов этого вопроса нам неизвестны.

Производство

При изготовлении светодиодов используется только автоматическая линия, в которой работают станки-роботы по заранее спроектированной технологии.

Работы на производстве светодиодов

Физический ручной труд человека полностью исключен из производственного процесса.

Технологическая линия производства светодиодов

Подготовленные специалисты осуществляют только контроль за правильным протеканием технологии.

Контроль за производством светодиодов

Анализ качества выпускаемой продукции тоже входит в их обязанности.

Контроль за качеством светодиодов

Популярные публикации:

Надеюсь, что эта статья была для вас полезной. Смотрите также другие статьи в категории Все про светодиоды

Подписывайтесь на наш канал в Telegram: Домашняя электрика 

О сайте Электрик Инфо и авторах статей



Поделитесь этой статьей с друзьями:


Другие статьи с сайта Электрик Инфо:

  • Что такое деградация светодиода
  • Как правильно рассчитать и подобрать резистор для светодиода
  • Виды светодиодов и их характеристики
  • Как делают светодиоды
  • Что такое световая отдача
  • SMD светодиоды - светодиоды поверхностного монтажа
  • Мощные светодиодные матрицы в освещении: устройство и особенности применени ...
  • Светодиодное освещение. Все «за» и «против»
  • Что такое индекс цветопередачи ламп и цветовая температура
  • Особенности светодиодной технологии, схемы светодиодных устройств, перспект ...
  • Категория: Все про светодиоды

    Светодиоды

      Комментарии:

    #1 написал: емелина ирина |

    Хорошая статья, много для себя нового узнала, давно хотела придумать у себя дома что то интересное с использованием светодиодов теперь благодаря этой статье сомнений нет.

      Комментарии:

    #2 написал: Александр |

    На сайте всегда прекрасные статьи, это - особенно. Спасибо!

      Комментарии:

    #3 написал: Марк Фридман |

    Есть два способа получения,белого света: первый включает смешивание света трех разных источников в правильных пропорциях в аддитивном синтезе (RGB), второй метод - возбуждение люминофоров с помощью синего или ультрафиолетового светодиода. Вторичной особенностью светодиодов является то, что при попадании на них света они ведут себя (с довольно низкой эффективностью) как фотодиод. Как правило, они более чувствительны к свету, для которого они созданы. Другое нетипичное, но довольно часто используемое использование - это использование его в качестве источника опорного напряжения при прямом смещении (как если бы это был стабилитрон). Чтобы получить разные опорные напряжения, необходимо соединить разные (последовательно), также разных цветов, при условии, что они имеют одинаковый максимальный рабочий ток. Их также можно соединить последовательно с стабилитронами и выпрямительными диодами. Светодиод выдерживает довольно низкое обратное напряжение, как правило, 5 вольт, так что, если он должен быть подвергнут воздействию сильных обратных напряжений, то нужно включить его последовательно с выпрямительным диодом. Срок службы светодиода обычно намного выше, чем у аналогичной лампы накаливания, а в некоторых случаях даже лучше, чем у газоразрядных ламп. Однако следует отметить, что существуют светодиоды плохого качества, которые имеют срок службы менее 1000 часов, особенно это касается белого цвета. Наиболее распространенные светодиоды являются SMD для ламп освещения. С другой стороны, более классическими являются круглые диаметром 3 или 5 мм. Но есть все формы и размеры, квадратные, треугольные, прямоугольные, цилиндрические. Другое возможное использование светодиода - это оптическая обратная связь, соединенная с фоторезистором, для создания динамических компрессоров, полностью изолированных автоматических регуляторов усиления или для деактивации некоторых участков схемы путем размещения фоторезистора последовательно или параллельно сигналу (на практике реализуется в оптопарах).

      Комментарии:

    #4 написал: Даниил |

    Первый диод, излучающий видимый свет (LED), был разработан шестьдесят лет назад тогдашним 33-летним ученым доктором С. Ник Холоньяк-младший Его коллеги прозвали диод «волшебным», потому что, в отличие от инфракрасных лазеров, он излучал свет, видимый человеческому глазу. Когда Холоньяк присоединился к исследовательской группе GE в 1957 году, лаборатории уже исследовали возможные применения полупроводников, а ученые разрабатывали предшественников современных диодных тиристоров и выпрямителей. В то время как другой ученый - Д. Роберт Н. Холл - работал над инфракрасным полупроводниковым лазером с использованием GaAs (арсенид галлия), Холоньяк искал видимое излучение с помощью GaAsP (фосфоарсенид галлия). 9 октября 1962 года Холоньяк стал первым человеком, который когда-либо использовал полупроводниковый лазер с излучением видимого света для включения первого светодиода, излучающего видимый свет.

      Комментарии:

    #5 написал: Сергей Иванов |

    Светодиод представляет собой электронный полупроводниковый прибор, содержащий PN-переход. Этой технологии более 40 лет, но их производство получило широкое распространение только сейчас. С одной стороны, технологически он совершенно другой, световой поток равен или даже превосходит другие обычные светильники, а затраты на производство сведены к минимуму. Однако можно ожидать дальнейшего развития событий. Светодиод излучает свет благодаря PN-переходу, через который проходит электрический ток. В отличие от других источников света, таких как лампочки накаливания, газоразрядные лампы или люминесцентные лампы, светодиоды работают при относительно небольших значениях входного напряжения и тока. Диоды обычно снабжены так называемым оптическим элементом для лучшего рассеивания света. Это сферические навесы из эпоксидной смолы. В зависимости от свойств этого элемента диоды имеют точечные или рассеивающие свойства с разными углами излучения. Цвет излучаемого света определяется химическим составом полупроводника светодиода. Эпоксидная смола, в которой находится весь светодиод, выполняет три основные функции. Во-первых, он предназначен для пропускания максимального количества света, дополнительно регулирует угол, под которым распространяется свет, и защищает светодиоды от окружающей среды. Благодаря герметизации светодиод практически не поддается разрушению и не содержит свободно движущихся частей. Как полупроводниковый прибор, регулирующий ток без нити накала, он также очень надежен.

      Комментарии:

    #6 написал: Роберт |

    Светоизлучающий диод (LED) — это полупроводниковый источник света, который излучает свет, когда через него проходит электрический ток. Электроны в полупроводнике рекомбинируют с электронными дырками, высвобождая энергию в виде фотонов. Этот эффект называется электролюминесценцией. Цвет излучаемого света соответствует энергии излучаемых фотонов. Это, в свою очередь, зависит от энергии, необходимой для прохождения электронов через запрещенную зону полупроводника. Эту полосу иногда называют порогом мощности, и она является очень важным параметром всех полупроводников. Поэтому цвет светодиода зависит от материала, из которого он изготовлен. Светодиоды появились на рынке в качестве коммерчески доступных электронных компонентов в 1962 году. Первые из них излучали низкоинтенсивный инфракрасный свет. Инфракрасные светодиоды в основном используются в схемах дистанционного управления, например, в бытовой электронике. Первые продукты, которые работали с видимым светом, имели низкую интенсивность и ограничивались красным цветом. Они были изготовлены из таких материалов, как фосфид галлия (GaP) и арсенид алюминия-галлия (AlGaAs). Современные светодиоды доступны в видимом, ультрафиолетовом и инфракрасном диапазонах. Они работают с высокой эффективностью излучения, благодаря чему производят много света, экономя энергию. Современные изделия этого типа изготавливаются из различных полупроводниковых материалов в зависимости от цвета. В настоящее время красные светодиоды изготавливаются из фосфида алюминия-индия-галлия (AlInGaP), что делает их более эффективными, чем элементы GaP или AlGaAs. Синие и зеленые светодиоды в основном состоят из нитрида галлия и нитрида индия-галлия (GaN и InGaN). Количество индия определяет цвет: чем больше индия, тем длиннее длина волны (например, зеленый).

      Комментарии:

    #7 написал: Михаил |

    Светодиод (LED) - это электронный прибор, который способен превращать электрический ток в свет. Он состоит из полупроводникового материала, который обычно является соединением металла и кремния (Si) или галлия (Ga) с примесью других элементов. Светодиоды делятся на различные типы в зависимости от используемых полупроводниковых материалов и цвета свечения.

    Работа светодиода основана на явлении электролюминесценции, когда при прохождении электрического тока через полупроводниковый материал, в нем возникает световая энергия. Однако для того, чтобы светодиод светил, необходимо преодолеть барьер, который возникает на границе раздела двух различных полупроводниковых материалов. Этот барьер называется pn-переход и состоит из n-области с избытком электронов и p-области с избытком дырок. При подаче напряжения на светодиод, электроны переходят через pn-переход на p-сторону, а дырки на n-сторону. При этом происходит испускание света в видимом или инфракрасном диапазонах.

    Светодиоды имеют ряд преимуществ по сравнению с другими типами осветительных приборов. Они потребляют меньше энергии, обладают высокой яркостью, имеют длительный срок службы, а также являются экологически безопасными. Их также можно легко управлять с помощью электроники и использовать в различных приложениях, таких как освещение, индикация, коммуникация и т.д.

      Комментарии:

    #8 написал: Сергей |

    Светодиод - это полупроводниковый прибор, который излучает свет при прохождении через него электрического тока. Он состоит из кристалла полупроводника, который помещен между двумя контактами. Когда к контактам прикладывается напряжение, электроны в полупроводнике начинают двигаться от одного контакта к другому, излучая при этом фотоны (кванты света). Цвет свечения светодиода зависит от материала полупроводника. Например, светодиоды на основе карбида кремния (SiC) излучают синий свет, а на основе нитрида галлия (GaN) - зеленый. Существуют также светодиоды на основе фосфида индия (InP), которые излучают красный свет, и на основе арсенида галлия (GaAs), которые излучают инфракрасный свет. Светодиоды имеют множество применений, включая освещение, индикацию, дисплеи и оптическую связь. Они также используются в качестве источников света в светодиодном освещении, которое является более энергоэффективным и долговечным, чем традиционные источники света.

    Присоединяйтесь к нам в социальных сетях:

    ВКонтакте | Facebook | Одноклассники | Электрик Инфо на Яндекс Дзен

     

    Популярные разделы сайта:

    Электрика дома  Электрообзоры  Энергосбережение
    Секреты электрика Источники света Делимся опытом
    Домашняя автоматика Электрика для начинающих
    Практическая электроника Электротехнические новинки
    Андрей Повный - все статьи автора



    Copyright © 2009-2024 Электрик Инфо - Electrik.info, Андрей Повный
    Вся информация на сайте предоставлена в ознакомительных и познавательных целях.
    За применение этой информации администрация сайта ответственности не несет.
    Перепечатка материалов сайта запрещена.