Светодиод: что это такое?

История изобретения.

История светодиода – это рассказ о свете, который начался не с большого взрыва, а с маленькой искры любопытства.

В 1907 году Генри Джозеф Раунд, работая в лаборатории Белла, заметил слабое свечение от кристалла карбида кремния. Это было не просто свечение, а первый шепот электролюминесценции, который вскоре превратится в оглушительный хор света.

Прошло более полувека, прежде чем Ник Холоняк-младший представил миру первый практичный светодиод в 1962 году. Его красный свет был не так ярок, как современные светодиоды, но он зажег искру, которая привела к настоящему огненному шторму инноваций.

Затем, в 1990-х, Шудзи Накамура совершил прорыв, создав синий светодиод. Это был ключ, который открыл дверь к созданию белого света, смешивая синий свет со светодиодами других цветов. Это открытие не только осветило наши дома, но и зажгло революцию в освещении, которая продолжается и по сей день.

Сегодня светодиоды – это не просто источники света, они – символы эпохи, в которой энергоэффективность и долговечность стали новыми стандартами. От мерцающего свечения в лаборатории до яркого света на улицах городов, светодиоды продолжают освещать путь человечества к более светлому и устойчивому будущему.

Из чего состоит светодиод?

Из чего состоят светодиодные лампы? Из полупроводникового кристалла на подложке, корпуса с контактными выводами и оптической системы. Современные светодиоды мало похожи на первые корпусные светодиоды, применявшиеся для индикации.

Устройство светодиода.

Светодиоды основаны на эффекте электролюминесценции, который возникает в результате рекомбинации электронов и дырок в полупроводниковом материале.

Светодиод состоит из нескольких ключевых компонентов:

• Полупроводниковый кристалл: Это сердце светодиода, где происходит генерация света. Кристалл обычно изготавливается из материалов, таких как арсенид галлия (GaAs), фосфид галлия (GaP) или нитрид галлия (GaN), и содержит два слоя: один с избытком электронов (n-типа), а другой с дефицитом электронов, называемым дырками (p-типа).
• p-n переход: Место, где n-тип и p-тип материалов соединяются. Когда через светодиод пропускается ток, электроны и дырки рекомбинируют на p-n переходе, и энергия, высвобождаемая в процессе, излучается в виде фотонов — частиц света.

• Корпус: Защищает полупроводниковый кристалл и оптически усиливает излучаемый свет. Обычно изготавливается из пластика или эпоксидной смолы.
• Электроды: Металлические контакты, которые подключаются к p-n переходу и обеспечивают протекание электрического тока через светодиод.
• Отражатель: Металлическая или пластиковая часть, которая отражает свет в нужном направлении и увеличивает его интенсивность.
• Теплоотвод: Устройство, которое отводит тепло от полупроводникового кристалла, предотвращая его перегрев и продлевая срок службы светодиода.

Как работает светодиод?

Свечение возникает при рекомбинации электронов и дырок в области p-n-перехода. Значит, прежде всего нужен p-n-переход, то есть контакт двух полупроводников с разными типами проводимости. Для этого приконтактные слои полупроводникового кристалла легируют разными примесями: по одну сторону акцепторными, по другую – донорскими.

Но не всякий p-n-переход излучает свет. Почему? Во-первых, ширина запрещенной зоны в активной области светодиода должна быть близка к энергии квантов света видимого диапазона. Во-вторых, вероятность излучения при рекомбинации электронно-дырочных пар должна быть высокой, для чего полупроводниковый кристалл должен содержать мало дефектов, из-за которых рекомбинация происходит без излучения. Эти условия в той или иной степени противоречат друг другу.

Реально, чтобы соблюсти оба условия, одного р-п-перехода в кристалле оказывается недостаточно, и приходится изготавливать многослойные полупроводниковые структуры, так называемые гетероструктуры, за изучение которых российский физик академик Жорес Алферов получил Нобелевскую премию 2000 года.

Чем хорош светодиод?

В светодиоде, в отличие от лампы накаливания или люминесцентной лампы, электрический ток преобразуется непосредственно в световое излучение, и, теоретически, это можно сделать почти без потерь. Действительно, светодиод (при должном теплоотводе) мало нагревается, что делает его незаменимым для некоторых приложений. Далее, светодиод излучает в узкой части спектра, его цвет чист, что особенно ценят дизайнеры, а УФ- и ИК-излучения, как правило, отсутствуют. Светодиод механически прочен и исключительно надежен, его срок службы достигает 100 тысяч часов, что в 100 раз больше, чем у лампочки накаливания, и в 10 раз больше, чем у люминесцентной лампы. Наконец, светодиод – низковольтный электроприбор, а стало быть, безопасный.

Виды и основные параметры светодиодов.

На схеме светодиод обозначается как обычный диод с двумя параллельными стрелками, направленными наружу и указывающими на его излучающий характер. В продаже имеется большое количество типов светодиодов, которые различаются между собой функциональным назначением, конструкцией, мощностью, цветом свечения и другими свойствами.

По назначению светодиоды разделяют на два вида – индикаторные и осветительные.

Индикаторные:

• светодиоды SMD;
• сверхъяркие Super Flux “Piranha”;
• DIP светодиоды (Direct In-line Package);
• Straw Hat («соломенная шляпа»).

Осветительные:

• COB (Chip On Board) светодиоды;
• SMD LED;
• филаментные (Filament LED).

Индикаторные

Индикаторные светодиоды отличаются малой мощностью и умеренной яркостью свечения. Используются для цветовой индикации режимов работы различных приборов и оборудования, а также для подсветки дисплеев и приборных щитов. Разновидности индикаторных светодиодов:

• DIP-светодиоды. Кристалл-излучатель находится в выводном корпусе, который чаще всего представляет собой выпуклую линзу. Минус – малый угол рассеивания излучения.
• «Пиранья» – излучатель сверхвысокой яркости с четырьмя выводами, обеспечивающими его удобное крепление на плате. Востребован для подсветки приборов в автомобилях и в рекламных вывесках.
• «Соломенная шляпа». Цилиндрический двухвыводный прибор со значительным углом рассеивания излучения и увеличенным диаметром линзы. Применяется в декоративных конструкциях и светосигналах тревоги.
• SMD-светодиоды. Приборы сверхвысокой яркости располагаются в корпусах, рассчитанных на SMT-монтаж. В их маркировке указываются размеры в дюймах (их сотых долях) или в мм. На базе SMD-светодиодов изготавливаются светодиодные ленты.

Осветительные

Осветительные светодиоды встречаются в конструкции фонарей, фар, лент. Отличаются мощностью и яркостью свечения. Большинство осветительных приборов размещают в корпусах для SMT-монтажа. Изготавливаются в двух разновидностях белого цвета:

• cool white – холодный;
• warm white – теплый.

Осветительный SMD-светодиод представляет собой теплоотводящую подложку, на которой смонтирован излучающий кристалл, обработанный люминофорным составом.

Основные характеристики светодиодов.

Изложенные ниже сведения следует изучить для более точного выбора изделий. В комплексной оценке учитывают следующие факторы:

• параметры источника питания;
• характеристики светового потока;
• потребление электроэнергии;
• долговечность.

Ток потребления.

Приборы, которые причислены к индикаторной категории, потребляют не более 20 мА. Мощные осветительные светодиоды – до 300 мА и даже более того. Источник питания и провода должны быть рассчитаны на соответствующие нагрузки.

Следует подчеркнуть необходимость поддерживать стабильный ток светодиода. При незначительном повышении этого параметра меняются характеристики спектра, ускоряется деградация кристалла. Дальнейший рост приводит к разрушению полупроводника.

Чтобы исключить подобные негативные воздействия в цепь питания устанавливают специализированный стабилизатор тока («драйвер»)

Напряжение.

Этот параметр определяет падение напряжения на светодиоде при прохождении через него номинального тока. Точная величина указана в техническом паспорте изделия. Значение не является единым даже для одинаковых групп. Так, например, на белом индикаторном светодиоде падение может составить 3 В, а на красном – 1,8 В.

Сопротивление.

Минимальное электрическое сопротивление светодиодов заставляет применять в обязательном порядке защитные средства. Для ограничения силы тока при подключении к источнику питания надо обязательно использовать резистор.

При последовательном подключении складывают падение напряжения на каждом полупроводниковом элементе.

Исключите подключение светодиодов параллельно к одному резистору

Значительный разброс параметров полупроводниковых приборов будет сопровождаться разной интенсивностью свечения. Как отмечено ранее, даже небольшое превышение номинальной силы тока значительно ускоряет деградацию, увеличивает риск поломки изделия.

Мощность светодиодных ламп.

Падение напряжения на подобных индикаторных светодиодах составляет 2,4 В, а ток – 20 мА

При этих исходных параметрах прибор потребляет 0,048 Вт в час (1,152 Вт – за сутки, 34,56 – за месяц). Но требования возрастают, когда нужно создать достаточно сильный источник света.

Допустим, необходим прожектор мощностью 100 Вт который составляется из полупроводниковых одноваттных матриц с падением напряжения 3 В на каждой. При параллельном подключении понадобится применить источник тока на 33 А (100 × 0,33). Это очень много. Для прокладки сети питания понадобится алюминиевый проводник сечением более 8 мм кв., соответствующий стабилизатор.Разумеется, подобные решения нецелесообразны.

Вместо них применяют такие электрические схемы и подбирают количество элементов в каждой цепи так, чтобы напряжение питания составляло от 12 до 24 В. Для нашего примера можно применить группы по 8 светодиодов. Подойдет стабилизатор на ток 12×0,33=3,96 А, что не вызовет никаких существенных затруднений и лишних финансовых затрат.

Светоотдача и угол свечения.

В наши дни почти забыты оценки эффективности осветительных приборов по мощности. Это правильно, так как «лампочка на 40 Вт» не является достаточно информативным определением. Действительное значение имеет то, какой именно результат будет обеспечен соответствующим устройством. Для этого применяют понятие светового потока. Он определяет количество энергии, которое перемещается волнами соответствующей части спектра через определенную площадь за единицу времени. Параметр измеряется в люменах.

К сведению! Современные полупроводниковые приборы способны при потреблении 1 Вт создавать поток света до 140 лм. Это более чем в 10 раз эффективнее по сравнению с классической лампой накаливания.

Узконаправленные источники применяют в нишах стен, для подсветки отдельных декоративных предметов, функциональных зон. Для увеличения угла рассеивания применяют специализированные линзы. Надо понимать, что наличие дополнительных элементов в оптическом тракте несколько снижает эффективность.

Цветовая температура.

Этот параметр указывают на упаковке и в сопроводительной документации.

Он характеризует самые мощные составляющие в спектре излучения. Каждый человек по-своему воспринимает волны разной длины, поэтому точные универсальные рекомендации не уместны.

Для корректной оценки надо учитывать коэффициент цветопередачи (обозначение – «CRI»). При значении параметра более 80 можно говорить о хорошем качестве. В ртутных газоразрядных лампах, например, CRI от 40 до 60. Не сложно убедиться на практике в том, как сильно искажаются соответствующими уличными фонарями естественные оттенки.

Чем плох светодиод?

Только одним – ценой. Пока что цена одного люмена, излученного светодиодом, в 100 раз выше, чем галогенной лампой. Но специалисты утверждают, что в ближайшие 2-3 года этот показатель будет снижен в 10 раз.

Применение светодиодов.

Такая продукция активно применяется в разных областях: световая реклама, домашние и промышленные осветительные приборы, автомобильная светотехника, светофоры и дорожные знаки, дизайн помещений, ландшафтная и архитектурная подсветка, а также многое другое.

Преимущества светодиодов:

• значительная длительность эксплуатации;
• экологическая безопасность;
• высокая надежность и безотказность;
• экономия электроэнергии;
• высокое качество освещения;
• низкие эксплуатационные расходы.

Маркировка.

Маркировка светодиодов – это не просто набор символов на корпусе компонента, это целая история, рассказывающая о его происхождении, характеристиках и предназначении. Каждый знак, каждая цифра и каждая буква несут в себе определенный смысл, позволяя специалистам быстро и точно определить параметры светодиода для его правильного применения в электронных схемах и устройствах.

Ключевые элементы маркировки:

• Типоразмер: Обозначает физические размеры светодиода, что важно для монтажа на печатную плату.
• Цветовая маркировка: Сообщает о спектральных характеристиках излучения, что критично для создания систем освещения с заданными цветовыми параметрами.
• Код производителя: Указывает на компанию, производящую светодиод, что является залогом качества и надежности.
• Серийный номер: Позволяет отследить партию производства и, при необходимости, получить информацию о дате изготовления.
• Электрические характеристики: Включают в себя напряжение, ток и мощность, что необходимо для безопасной и эффективной работы.

Пример маркировки:

Допустим, на светодиоде присутствует следующая маркировка: 5A3B2C. Расшифровка может быть такой:

• 5A – указывает на типоразмер светодиода.
• 3B – обозначает цветовую гамму, где “3” может означать красный цвет, а “B” – определенный оттенок этого цвета.
• 2C – код производителя, где “2” может быть идентификатором компании, а “C” – указанием на серию продукции.

Таким образом, маркировка светодиодов является своеобразным паспортом компонента, содержащим всю необходимую информацию для его идентификации и использования в соответствии с техническими требованиями и стандартами. Это ключевой элемент в системе обеспечения качества и совместимости в электронной промышленности.

Основные правила подключения светодиодов

Конструкция светодиодов рассчитана на их подключение только к источникам постоянного тока с соблюдением полярности. Существует три варианта определения полярности:

• По длине ножки (кроме SMD). Более длинная ножка является катодом, а короткая – анодом. В SMD-светодиодах имеется срез (ключ), который всегда располагается ближе к катоду.
• С помощью мультиметра. Прибор устанавливают в режим «Прозвонка». Красный и черный щупы устанавливают на выводы. Если прибор засветился, то, значит, что красный щуп был подключен к аноду, а черный – к катоду. Если свечение не возникло, значит, надо поменять положение щупов. Если результат не изменился (свечение отсутствует), значит, прибор вышел из строя.

Как реагирует светодиод на повышение температуры?

Говоря о температуре светодиода, необходимо различать температуру на поверхности кристалла и в области p-n-перехода. От первой зависит срок службы, от второй – световой выход. В целом с повышением температуры p-n-перехода яркость светодиода падает, потому что уменьшается внутренний квантовый выход из-за влияния колебаний кристаллической решетки. Поэтому так важен хороший теплоотвод.

Падение яркости с повышением температуры не одинаково у светодиодов разных цветов. Оно больше у AlGalnP- и AeGaAs-светодиодов, то есть у красных и желтых, и меньше у InGaN, то есть у зеленых, синих и белых.

Почему нужно стабилизировать ток через светодиод?

В рабочих режимах ток экспоненциально зависит от напряжения и незначительные изменения напряжения приводят к большим изменениям тока. Поскольку световой выход прямо пропорционален току, то и яркость светодиода оказывается нестабильной. Поэтому ток необходимо стабилизировать. Кроме того, если ток превысит допустимый предел, то перегрев светодиода может привести к его ускоренному старению.

Можно ли регулировать яркость светодиода?

Яркость светодиодов очень хорошо поддается регулированию, но не за счет снижения напряжения питания – этого-то как раз делать нельзя, – а так называемым методом широтно-импульсной модуляции (ШИМ), для чего необходим специальный управляющий блок (реально он может быть совмещен с блоком питания и конвертором, а также с контроллером управления цветом RGB-матрицы). Метод ШИМ заключается в том, что на светодиод подается не постоянный, а импульсно-модулированный ток, причем частота сигнала должна составлять сотни или тысячи герц, а ширина импульсов и пауз между ними может изменяться. Средняя яркость светодиода становится управляемой, в то же время светодиод не гаснет. Небольшое изменение цветовой температуры светодиода при диммировании несравнимо с аналогичным смещением для ламп накаливания.

Чем определяется срок службы светодиода?

Считается, что светодиоды исключительно долговечны. Но это не совсем так. Чем больший ток пропускается через светодиод в процессе его службы, тем выше его температура и тем быстрее наступает старение. Поэтому срок службы у мощных светодиодов короче, чем у маломощных сигнальных, и составляет в настоящее время 20-50 тысяч часов. Старение выражается в первую очередь в уменьшении яркости. Когда яркость снижается на 30% или наполовину, светодиод надо менять.

Не вреден ли светодиод для человеческого глаза?

Спектр излучения светодиода близок к монохроматическому, в чем его кардинальное отличие от спектра солнца или лампы накаливания. Хорошо это или плохо – доподлинно не известно, потому что серьезных исследований в этой области нигде не проводилось. Какие-либо данные о вредном воздействии светодиодов на человеческий глаз отсутствуют.

Есть надежда, что вскоре влияние светодиодов на зрение будет изучено досконально. Проблемой заинтересовался академик Михаил Аркадьевич Островский – крупный специалист в области цветного зрения. Тема, за решение которой он взялся, называется так: «Психофизическое восприятие светодиодного освещения системой зрения человека»