как работает светодиод

Содержание

Подключение

Самым простым способом присоединения RGB светодиодов к источнику питания считается подключение к микроконтроллеру Arduino. Общий вывод (обычно он самый длинный) припаивается к контакту «Gnd», а остальные присоединяют к соответствующим точкам, отмеченным как D12, D10 и D9. Напрямую паять контакты нельзя, каждый из них (кроме общего) должен иметь токоограничивающий резистор.

При подключении светодиода с общим анодом используется отрицательный контакт «Gnd», расположенный в том же ряду, что и катоды. Если используется подключение с общим катодом, используется плюсовой контакт «Gnd» с противоположного ряда.

Технические характеристики и их зависимость друг от друга

Основными функциональными и эксплуатационными параметрами светодиодных светильников являются:

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

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

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

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

Цветовая характеристика

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

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

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

Особенности проверки светодиодных лампочек

При помощи мультиметра можно прозванивать цветные, стандартные и сверхъяркие диоды.

Стандартная лампочка с цоколем Е27

Подобная лампа используется для бытовых люстр или светильников. Чтобы проверить исправный или нерабочий светодиод, понадобится:

Убрать рассеиватель с лампочки при помощи пластиковой банковской карты, помещенной между элементом и корпусом.
Пластиковую карту аккуратно передвигать по склейке. Прочный шов можно прогреть строительным феном.
Открыть плату.
Щупами прикоснуться к элементам и дождаться, пока они засветятся тусклым сиянием.

Если диоды не горят, лампочка сломалась.

Сверхъяркие диоды

Синими, желтыми или белыми светодиодами обычно оснащается гирлянда. Тест проводится без щупов с использованием транзисторных гнезд по следующему алгоритму:

Определить распиновку СМД.
Найти 8 гнезд внизу прибора – 4 левых под PNP-транзисторы и 4 правых под NPN-транзисторы.
Поместить щупы, вставив анод в отверстие Е, а катод – в отверстие С.
Открыть элемент PNP, подав положительный заряд на эмиттер Е. Исправный светодиод будет гореть.
Поменять полярность транзисторов для NPN. Анод ставится на С, катод – на Е.

Как проверить LED-прожектор

Проверка светодиода осуществляет после определения типа элемента. На фонарях устанавливаются:

плата с маленькими SMD, которые проверяются прозвонкой по аналогии со стандартной лампочкой;
большой желтый элемент, работающий от напряжения 10-30 В.

Напряжения большого элемента много для тестера, поэтому определить работоспособность элемента можно только драйвером. Он должен соответствовать показателям диода.

Нюансы тестирования инфракрасных диодов

Инфракрасный светодиод выдает невидимое излучение, поэтому важно следить за показателями на дисплее мультиметра. Щупы устанавливаются путем подачи плюса на анод и минуса на катод

Касаясь зондами к рабочему ИК-диоду, можно увидеть на экране цифру 1000. При перемене полярности высвечивается 1.

Для точности проверки инфракрасного диода гнездами транзисторов задействуется камера смартфона или цифровое устройство. ИК-светодиод понадобится поместить в транзисторные гнезда и направить на него камеру. Об исправности свидетельствует светящееся размытое пятно на дисплее гаджета.

Подпайка параллельного красного LED-свечения наглядно отразит работоспособность диода. Если в момент мерцания сигнал подается на элемент, его следует заменить. Если подсветка не работает, неисправен пульт.

Проверка светодиодного моста

Диодный мост – сборка из 4-х элементов. Они соединяются, так, чтобы переменное напряжение АС подавалось на два из 4-х выводов, переходило в постоянное напряжение DC и снималось с 2-х других выводов. Стабилитроны выравнивают напряжение в узком диапазоне.

Прозвонить светодиод-мост можно так:

Найти, на какой вывод подключать мультиметр, сделав условную нумерацию.
Прозвонить первый диод, подкинув щупы на выводы 1 и 2.
Протестировать второй светодиод путем подключения щупов на выводы 2 и 3.
Замерить параметры третьего диода, подключив зонды к выводам 1 и 4.
Определить исправность четвертого элемента, подкинув щупы на выводы 4 и 3.
Посмотреть показания на табло.

Стабильность напряжения проверяется в режиме максимального диапазона – 220 В. Его увеличивают постепенно и прекращают подавать до момента протекания тока через схему.

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.

Принцип работы устройства

Когда диод смещен вперед, электроны быстро движутся через соединение. Они постоянно объединяются, удаляя друг друга. Вскоре, после того как электроны начинают движение от n-типа к кремнию p-типа, диод соединяется с отверстиями, а затем исчезает. Следовательно, он делает полный атом более стабильным и дает небольшой импульс энергии в виде фотона света.

Принцип образования световой волны

Чтобы разобраться как устроен светодиод, необходимо узнать о его материалах и их свойствах. Светодиод представляет собой специализированную форму PN-перехода, которая использует составное соединение. Составным должен быть полупроводниковый материал, используемый для соединения. Обычно используемые материалы, включая кремний и германий, являются простыми элементами, и соединение, изготовленное из этих материалов, не излучает свет. Что же касается таких полупроводников, как арсенид галлия, фосфид галлия и фосфид индия — они являются составными, и соединения из этих материалов излучают свет.

Эти составные полупроводники классифицируются по валентным зонам, которые занимают их составляющие. Арсенид галлия имеет валентность трех, а мышьяк — валентность пяти. Это и называют полупроводником группы III-V. Существует ряд других полупроводников, которые соответствуют обозначенной категории. Есть полупроводники, которые образуются из материалов группы III-V.

Светоизлучающий диод излучает свет, когда он смещен вперед. Когда напряжение накладывается на соединение, чтобы заставить его смещаться вперед, ток течет, как и в случае любого PN-соединения. Отверстия из области р-типа и электроны из области n-типа входят в соединение и рекомбинируют, как нормальный диод, чтобы обеспечить протекание тока. Когда это происходит, выделяется энергия.

Обнаружено, что большая часть света получается из области перехода ближе к области Р-типа. Конструкция диодов выполнена таким образом, что эта область располагается как можно ближе к поверхности устройства для поглощения конструкцией минимального количества света.

Чтобы получить свет, который можно увидеть, соединение следует оптимизировать, а материалы должны быть правильными. Чистый арсенид галлия выделяет энергию в инфракрасной части спектра. Для приведения световой эмиссии алюминий добавляется к полупроводнику в видимый красный спектр с последующим получением арсенида аргицида галлия (AlGaAs). Можно добавить и фосфор, чтобы получить красный свет. Для других цветов используются иные материалы. Например, фосфид галлия дает зеленый свет, а фосфид алюминия кальция используется для получения желтого и оранжевого света. Большинство светодиодов основаны на галлиевых полупроводниках.

Квантовая теория

Рекомбинация показывает, что электроны в зоне проводимости спускаются к валентной зоне. Когда они перескакивают из одной полосы в другую, то излучают электромагнитную энергию в виде фотонов, а энергия фотона равна запрещенной энергетической щели.

Отображено математическое уравнение:

Eq = hf

H известна как постоянная Планка, а скорость электромагнитного излучения равна скорости света. Частотное излучение связано со скоростью света как f = c / λ. λ обозначается как длина волны электромагнитного излучения, а уравнение станет таким:

Eq = he / λ

Исходя из этого уравнения можно понять, как работает светодиод, основываясь на том, что длина волны электромагнитного излучения обратно пропорциональна запрещенной щели. В целом полное излучение электромагнитной волны при рекомбинации имеет вид инфракрасного излучения. Невозможно увидеть длину волны инфракрасного излучения, потому что она находится вне видимого диапазона.

Инфракрасное излучение называется теплотой, потому что кремний и германиевые полупроводники не являются прямыми щелевыми полупроводниками, а относятся к непрямым промежуточным разновидностям. Но в полупроводниках с прямым зазором максимальный уровень энергии валентной зоны и минимальный уровень энергии зоны проводимости не происходит одномоментно с электронами. Поэтому во время рекомбинации электронов и дырок происходит миграция электронов из зоны проводимости в валентную зону, и импульс электронной зоны будет изменен.

История возникновения

Рассматривая вопрос, почему работают светодиоды, следует изучить историю их возникновения. Впервые подобное устройство было создано в 1962 г. ученым Н. Холоньяком. Это был монохромный диод красного свечения. Он имел ряд недостатков, но сама технология была признана перспективной.

Спустя 10 лет после создания красного диода появились зеленые и желтые разновидности. Их применяли в качестве индикаторов во многих электронных приборах. Интенсивность светового потока диодов благодаря научным разработкам постоянно возрастала. В 90-х годах был создан осветитель с эффективностью потока 1 люмен.

В 1993 году С. Накамура создал первый синий диод, который характеризовался высокой яркостью. С этого момента стало возможным создавать любой цвет спектра (в том числе белый). Технологии неустанно развивались.

При соединении синего и ультрафиолетового типа диодов получается белый люминофорный осветитель. Они стали постепенно вытеснять лампы накаливания. К 2005 году выпускались диоды с мощностью светового потока до 100 лм и даже выше. Стали изготавливать белые осветительные приборы с разными оттенками (теплые, холодные).

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.

Как работают светодиоды: принцип действия

Электрический ток преобразуется в свет в кристалле. Он состоит из двух полупроводников различного типа проводимости – n и p. N-проводимость обеспечивается легированием электронов в полупроводник, p – дырок.

Принцип действия светодиода заключается в появлении свечения при рекомбинации электронов и дырок в p-n переходе под действием тока, приложенного в прямом направлении. В результате перехода электронов с одного энергетического уровня на другой появляются фотоны.

Не все полупроводниковые материалы способны давать свет при рекомбинации. Для создания светодиодов используются прямозонные полупроводники, в которых разрешен прямой оптический переход зона-зона. К таким материалам относятся A3B5 (InP, GaAs), A2B4 (CdTe). В зависимости от состава можно получать светодиоды от ультрафиолетовых до инфpaкрасных.

Как работает светодиод, зависит от электронно-дырочного перехода. Условия пропускания света p-n переходом:

близость ширины запрещенной зоны к энергии кванта света;
минимальное содержание дефектов в полупроводниковом кристалле.

Для реализации этих требований одного p-n перехода недостаточно. Нужно создавать многослойные структуры – гетероструктуры, состоящие из нескольких полупроводников.

Какими бывают

Как выглядит инфракрасный светодиод и можно ли его отличить от обычного? Вопрос довольно сложный, поскольку инфракрасные полупроводники имеют огромное количество форм-факторов – все зависит от их характеристик и назначения.

В компьютерных мышках и в пультах ДУ, к примеру, стоят обычные трехмиллиметровые приборы, в CD-приводах и лазерных принтерах – сверхминиатюрные в SMD или металлостеклянном корпусе. В ИК-прожекторах могут стоять как множество маломощных, так и несколько мощных инфракрасных светодиодов: обычных, диаметром до 10 мм или в SMD корпусе.

Цвет баллона тоже может быть различным – от прозрачного и металлического с прозрачным окном до матово-черного. Конечно, эти приборы можно отличить от светоизлучающих с красным и желтым баллонами – инфракрасные светодиоды не имеют таких цветов, но и только.

Что касается технических характеристик инфракрасных светодиодов, то основные из них следующие:

Угол рассеивания. Чем этот параметр выше, тем меньше освещенности приходится на определенную поверхность объекта, но тем большую площадь он покрывает ИК-излучением. Измеряется в градусах телесного угла – стерадианах (Ω).
Выходная мощность. Измеряется в ваттах (Вт) или милливаттах (мВт) и может колебаться от десятков милливатт до нескольких ватт.
Рабочий ток. Ток, при котором гарантируются заявленные характеристики, включая наработку на отказ и выходную мощность излучения. Измеряется в амперах (миллиамперах).
Прямое падение напряжения. Напряжение, которое падает на кристалле при номинальном токе. Зависит от материала кристалла и обычно не превышает 2 вольт.
Обратное максимально допустимое напряжение. Напряжение обратной полярности, которое выдерживает кристалл без электрического повреждения. Для инфракрасных приборов обычно не превышает 1 вольта.
Излучаемая длина волны. Если светодиод лазерный, то указывается одна длина волны, и это понятно. Если же это обычный инфракрасный светодиод, то нередко указывается диапазон излучаемых им волн, которые измеряются в нанометрах или микрометрах (нм или мкм).

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.

Кто в мире сегодня производит светодиоды?

Чтобы делать качественные светодиоды в нужном количестве, понадобилось слияние двух отраслей — электронной и светотехнической. Все западные гиганты, производящие светодиоды для светотехники по полному циклу, начиная с производства чипов и заканчивая различными светодиодными модулями и сборками, а также светильниками на их основе, идут по этому пути. General Electric заключила союз с производителем полупроводниковых приборов Emcore, создав компанию GEL Core. Philips Lighting совместно с Agilent, дочерней компанией Hewlett-Packard, создали предприятие LumiLeds. Osram объединяет усилия с полупроводниковыми предприятиями своей материнской компании Siemens. Как заметил Макаранд Чипалкатти, менеджер по маркетингу из подразделения Opto Semiconductors компании Osram Sylvania, специализирующемуся на устройствах LED, производители светотехники сами уничтожают свой бизнес. Но если сегодня не «наступить на горло собственной песне», то завтра придут другие и сделают это куда более жестко.

История создания первых ламп

В 1955 году Рубин Браунштейн обнаружил инфракрасное излучение арсенида галлия — полупроводник, который позже будет использоваться Ником Холоньяком-младшим и С. Беваккой для создания первого красного светодиода в 1962 году. В течение нескольких лет исследователи ограничились некоторыми цветами, такими как красный (1962), желтый, зеленый и более поздний синий (1972).

Вклад японских ученых

В 1990-х годах исследования Shuji Nakamura и Takashi Mukai of Nichia в полупроводниковой технологии InGaN позволили создать синие светодиоды высокой яркости, а затем адаптироваться к белым, добавив желтый люминофор. Это продвижение позволило использовать новые крупные приложения, такие как освещение и подсветка телевизионных экранов и ЖК-экранов. 7 октября 2014 года Шудзи Накамура, Исаму Акасаки и Хироши Амано получили Нобелевскую премию по физике за работу над голубыми светодиодами.

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.

Как работает элемент?

Принцип действия светодиода основывается на функциях и свойствах p-n-перехода. Под ним понимается специальная область, в которой имеет место пространственное изменение типа проводимости (от электронной n-области к дырочной p-области). p-полупроводник является носителем положительного, а n-полупроводник – отрицательного заряда (электронов).

В конструкции светодиода положительным и отрицательным электродами выступают анод и катод, соответственно. Поверхность электродов, которая находится снаружи колбы, имеет металлические контактные площадки, к которым припаяны выводы. Таким образом, после подачи положительного заряда на анод и отрицательного – на катод – на p-n переходе начинает протекание электрического тока.

При прямом включении питания дырки из области p-полупроводника и электроны из области n-полупроводника буду направлено двигаться на встречу друг другу. В результате этого на границе дырочно-электронного перехода происходит рекомбинация, то есть обмен, и выделяется световая энергия в виде фотонов.

Для преобразования фотонов в видимый свет материал подбирается таким образом, чтобы длина их волна оставалась в видимых пределах цветового спектра.

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.

Светодиоды типа COB

Виды светодиодов, классификация

По предназначению выделяют индикаторные и осветительные светодиоды. Первые используются для стилизации, декоративной подсветки – например, украшение зданий, рекламные баннеры, гирлянды. Осветительные приборы используются для создания яркого освещения в помещении.

По типу исполнения выделяют:

Dip светодиоды. Они представляют собой кристаллы, заключенные в цилиндрическую линзу. Относятся к индикаторным светодиодам. Существуют монохромные и многоцветные устройства. Используются редко из-за своих недостатков: большой размер, малый угол свечения (до 120 градусов), падение яркости излучения при долгом функционировании на 70%, слабый поток света.
Spider led. Такие светодиоды похожи на предыдущие, но имеют 4 выхода. В таких диодах оптимизирован теплоотвод, повышается надежность компонентов. Активно используются в автомобильной технике.

Smd – светодиоды для поверхностного монтажа. Могут относиться как к индикаторным, так и к осветительным светодиодам.

Cob (Chip-On-Board) – кристалл установлен непосредственно на плате. К преимуществам такого решения относятся защита от окисления, малые габариты, эффективный отвод тепла и равномерное освещение по всей площади. Светодиоды такой марки являются самыми инновационными. Используются для освещения. На одной подложке может быть установлено более 9 светодиодов. Сверху светодиодная матрица покрывается люминофором. Активно используются в автомобильной индустрии для создания фар и поворотников, при разработке телевизоров и экранов компьютеров.

Волоконные – разработка 2015 года. Могут использоваться в производстве одежды.

Filament также является инновационным продуктом. Отличаются высокой энергоэффективностью. Используются для создания осветительных ламп

Важное преимущество – возможность осуществления монтажа напрямую на подложку из стекла. Благодаря такому нанесению есть возможность распространения света на 360 градусов. Конструкция состоит из сапфирового стекла с диаметром до 1,5 мм и специально выращенных кристаллов, которые соединены последовательно

Число кристаллов обычно ограничивается 28 штуками. Светодиоды помещаются в колбу, которая покрыта люминофором. Иногда филаментные светодиоды могут относить к классу COB изделий.

Oled. Органические тонкопленочные светодиоды. Используются для построения органических дисплеев. Состоят из анода, подложки из фольги или стекла, катода, полимерной прослойки, токопроводящего слоя из органических материалов. К преимуществам относятся малые габариты, равномерное освещение по всей площади, широкий угол свечения, низкая стоимость, длительный срок службы, низкое потребление электроэнергии.

В отдельную группу выделяются светодиоды, излучающие в ультрафиолетовом и инфракрасном диапазонах. Они могут быть с выводами, так и в виде smd исполнения. Используются в пультах дистанционного управления, бактерицидных и кварцевых лампах, стерилизаторах для аквариумов.

Светодиоды могут быть:

мигающими – используются для привлечения внимания;
многоцветными мигающими;
трехцветными – в одном корпусе есть несколько несвязанных между собой кристаллов, которые работают как по отдельности, так и все вместе;
RGB;
монохромными.

Светодиоды классифицируются по цветовой гамме. Для максимально точной идентификации цвета в документации прибора указывается его длина волны излучения.

Белые светодиоды классифицируются по цветовой температуре. Они бывают теплых оттенков (2700 К), нейтральных (4200 К) и холодных (6000 К).

По мощности выделяют светодиоды, потребляющие единицы мВт до десятков Вт. Напрямую от мощности зависит сила света.