Принцип работы светодиода

Светодиоды повсюду вокруг нас: в наших телефонах, наших автомобилях и даже в наших домах. Каждый раз, когда горит что-то электронное, есть большая вероятность, что за ним стоит светодиод. Они бывают самых разных размеров, форм и цветов, но независимо от того, как они выглядят, у них есть одна общая черта это самая популярная вещь в электроники.

Светодиоды («LED») — это особый тип диодов, которые преобразуют электрическую энергию в свет. На самом деле, светодиод означает «светоизлучающий диод». И можно увидеть сходство на схеме диода и светодиода:

В светодиоде положительный вывод называется анодом, а отрицательный вывод — катодом. Для правильной работы светодиода анод светодиода должен иметь более высокий потенциал, чем катод, так как ток в светодиоде течет от анода к катоду. Что произойдет, если мы подключим светодиод в обратном направлении? Ничего, так как светодиод не будет проводить ток.

Прямой ток светодиодов

Светодиоды являются очень чувствительными устройствами, и величина тока, протекающего через светодиод, очень важна. Кроме того, яркость светодиода зависит от величины тока, потребляемого светодиодом. Каждый светодиод имеет максимальный прямой ток, который может безопасно проходить через него, не перегорая. Да, допустимый ток, превышающий номинальный ток, фактически подожжет светодиод.

Например, наиболее часто используемые 5-миллиметровые светодиоды имеют номинальный ток от 20 мА до 30 мА, а 8-миллиметровые светодиоды имеют номинальный ток 150 мА (точные значения приведены в техническом описании). Как нам регулировать ток, протекающий через светодиод? Для контроля тока, протекающего через светодиод, мы используем резисторы с ограничением тока.

Прямое напряжение LED

Светоизлучающие диоды также рассчитаны на максимальное напряжение, то есть количество напряжения, которое необходимо для светодиода. Например, все 5-миллиметровые светодиоды имеют номинальный ток 20 мА, но прямое напряжение меняется от одного светодиода к другому. Максимальное напряжение на красных светодиодах составляет 2,2 В, максимальное напряжение на синих светодиодах — 3,4 В, а на максимальном напряжении белых светодиодов — 3,6 В.

Как работает светодиод

Светодиод является двухпроводным полупроводниковым источником света. Это p-n переходной диод, который излучает свет при активации. Когда к выводам приложено подходящее напряжение, электроны могут рекомбинировать с электронными отверстиями внутри устройства, выделяя энергию в виде фотонов. Этот эффект называется электролюминесценцией, а цвет света (соответствующий энергии фотона) определяется энергетической шириной запрещенной зоны полупроводника.

Материал, используемый в светодиодах, в основном алюминий-галлий-арсенид (AlGaAs). В своем первоначальном состоянии атомы этого материала прочно связаны. Без свободных электронов проводимость электричества здесь становится невозможной. При добавлении примеси, которая известна как легирование, вводятся дополнительные атомы, что эффективно нарушает баланс материала.

Эти примеси в виде дополнительных атомов способны либо обеспечивать свободные электроны (N-тип) в системе, либо высасывать некоторые из уже существующих электронов из атомов (P-тип), создавая «дыры» на атомных орбитах. В обоих случаях материал становится более проводящим. Таким образом, под воздействием электрического тока в материале N-типа электроны могут перемещаться от анода (положительный) к катоду (отрицательный) и наоборот в материале P-типа. Из-за свойства полупроводника ток никогда не будет идти в противоположных направлениях в соответствующих случаях.

Интенсивность света, излучаемого светодиодом, будет зависеть от уровня энергии испускаемых фотонов, который, в свою очередь, будет зависеть от энергии, выделяемой электронами, прыгающими между атомными орбитами из полупроводникового материала. В светодиодах вышеуказанные явления хорошо используются. В ответ на P-тип легирования электроны в светодиодах движутся, падая с верхних орбиталей на нижние, высвобождая энергию в виде фотонов, то есть света. Чем дальше эти орбитали отстоят друг от друга, тем больше интенсивность излучаемого света.

Различные длины волн, вовлеченные в процесс, определяют различные цвета, производимые светодиодами. Следовательно, свет, излучаемый устройством, зависит от типа используемого полупроводникового материала. Инфракрасный свет создается с использованием арсенида галлия (GaAs) в качестве полупроводника. Красный или желтый свет получают с использованием галлия-арсенида-фосфора (GaAsP) в качестве полупроводника. Красный или зеленый свет получается при использовании галлия-фосфора (GaP) в качестве полупроводника.

Простая светодиодная схема

На следующем рисунке показана схема простой светодиодной цепи, состоящей из 5-миллиметрового белого светодиода с источником питания 5 В.

Поскольку это белый светодиод, номинальные значения тока и напряжения следующие: типичный прямой ток составляет 20 мА, а типовое прямое напряжение составляет 2 В.

Типы светодиодов

• Сквозные светодиоды: они доступны в различных формах и размерах, и наиболее распространенными являются светодиоды 3 мм, 5 мм и 8 мм. Эти светодиоды доступны в различных цветах, таких как красный, синий, желтый, зеленый, белый и т. Д.
• Светодиоды SMD (светодиоды для поверхностного монтажа): Светодиоды для поверхностного монтажа представляют собой специальную упаковку, которую можно легко установить на печатную плату. Светодиоды SMD обычно различаются в зависимости от их физических размеров. Например, наиболее распространенными светодиодами SMD являются 3528 и 5050.

• Двухцветные светодиоды. Следующим типом светодиодов являются двухцветные светодиоды, как следует из названия, могут излучать два цвета. Двухцветные светодиоды имеют три контакта, обычно два анода и общий катод. В зависимости от конфигурации проводов, цвет будет активирован.

• Светодиод RGB (красный — синий — зеленый): светодиоды RGB являются самыми любимыми и популярными среди любителей и дизайнеров. Даже компьютерные сборки очень популярны для реализации светодиодов RGB в корпусах компьютеров, материнских платах, оперативной памяти и так далее.

• Светодиоды высокой мощности: Светодиод с номинальной мощностью, превышающей или равной 1 Вт, называется светодиодом высокой мощности. Это потому, что нормальные светодиоды имеют рассеиваемую мощность в несколько милливатт. Мощные светодиоды очень яркие и часто используются в фонариках, автомобильных фарах, прожекторах и так далее.

Преимущества светодиодов

1. Для управления светодиодом достаточно очень низкого напряжения и тока. В диапазоне voltage- от 1 до 2 вольт. Ток — от 5 до 20 миллиампер.
2. Общая выходная мощность будет менее 150 милливатт.
3. Время отклика очень меньше — всего около 10 наносекунд.
4. Устройство не требует нагрева и разогрева.
5. Миниатюрный по размеру и, следовательно, легкий.
6. Имеют прочную конструкцию и поэтому могут противостоять ударам и вибрациям.
7. Срок службы светодиода составляет более 20 лет.

Недостатки светодиодов:

• Небольшое превышение напряжения или тока может повредить устройство.
• Известно, что устройство имеет более широкую полосу пропускания по сравнению с лазером.
• Температура зависит от выходной мощности излучения и длины волны.

Устройство светодиода

 Состоит он из:

– чипа – полупроводникового кристалла;

– электродов (катода и анода),

– тонкого проволочного контакта, соединяющего анод (в некоторым конструкциях также и катод) с чипом (полупроводниковым кристаллом),

– подложки, на которой размещен сам чип (полупроводниковый кристалл);

– корпуса, оснащенного контактными выводами;

– оптической системы.

Оптическое излучение возникает в результате прохождения прямого электрического тока через кристалл, а излучаемый цвет зависит от материала (химического состава), из которого тот изготовлен, а также возможного включения в состав чипа (кристалла) различных добавок. Большинство светодиодов имеет один полупроводниковый кристалл, но существуют диоды с двумя и более чипами. Такие приборы изготавливаются, если требуется увеличить их мощность или получить разноцветное свечение.

Обычно светодиод подключается к электрической сети через резистор, устанавливаемый на вводе.

Резистор предохраняет светодиод от скачков напряжения и высокой силы тока. В случае отсутствия резистора светодиод может перегореть.

Принцип работы светодиода:

Отличительной особенностью светодиода от более привычных нам осветительных устройств (лампы накаливания, люминесцентные лампы) считается отсутствие в нем нити накаливания и хрупкой колбы, заполненной газом.

Свет в светодиоде образуется благодаря p-n-переходу, пропускающему электрический ток. Так, полупроводниковые материалы p-типа обладают возможностью накапливать заряды с положительными частицами, а полупроводниковые материалы n-типа – с отрицательными. Материалы n-типа представляют собой «накопительный склад» электронов, тогда как в материалах p-типа появляются свободные пространства (дырки), где электронов нет. В тот момент, когда в диод через контакты поступает электрический ток, электроны начинают движение, устремляясь к электронно-дырочному переходу, где инжектируются непосредственно в p-тип. Одновременно в n-типе, представляющем собой отрицательный контакт, также возникает подобное движение.

При протекании электрического тока через p-n-переход в прямом направлении носители заряда (электроны и дырки) рекомбинируют, т.е. происходит исчезновение пары свободных носителей противоположного заряда с выделением энергии в виде излучения фотонов (из-за перехода электронов с одного энергетического уровня на другой).

Однако не все полупроводниковые материалы эффективно испускают свет (фотоны) при рекомбинации. Лучшие излучатели относятся к прямозонным полупроводникам. Диоды, сделанные из непрямозонных полупроводников, свет практически не излучают.

Изменяя состав полупроводниковых материалов, можно создавать светодиоды, испускающие свет в видимой части спектра, а также в ультрафиолетовом и среднем инфракрасном диапазоне.

Характеристики светодиодов:

LED-приборы имеют несколько основных параметров.

Это:

– потребляемый ток;

– мощность потребления;

– номинальное напряжение;

– цветовая температура;

– сила светового потока.

Практически все эти характеристики указаны на самом электроприборе, но есть и другие показатели, которые считаются специфическими.

Сила потребляемого тока. Сила потребляемого тока определяет яркость свечения светодиода. Ток потребления светодиода измеряется в амперах и чаще всего соответствует показателю 0,02 А. Это параметр одного кристалла. Если чипов несколько, то и показатель увеличивается: 0,04 А при двух кристаллах, 0,06 А при трех и т.д. Учитывать показатель потребляемого тока следует для выбора резистора, устанавливаемого на вводе. Если показатели не будут соответствовать друг другу, высокий ток преодолеет сопротивление светодиода и он перегорит, причем практически мгновенно. Также резистор защищает прибор от скачков тока в сети, возникающих при различных перепадах напряжения.

Сопротивление светодиода. Этот показатель способен изменяться, т.к. является нелинейным и колеблется в зависимости от включения в цепь. При включении в одну сторону он может достигать приблизительно одного килоома (кОм), в другую – увеличиваться до нескольких мегаом (МОм). Соответственно, чем более высокое напряжение испытывает диод, тем меньше оказываемое им сопротивление.

Номинальное напряжение. Данная характеристика светодиода напрямую зависит от его цвета, а последний параметр – от материала, выбранного для его изготовления и включения в его состав различных добавок.

Инфракрасное свечение характерно для арсенида галлия (GaAs) и арсенида алюминия галлия (AlGaAs). В этом случае при силе тока в 20 мА диапазон напряжения составляет 1,1-1,6 В, а типовое значение напряжения – 1,2 В.

Красный, оранжевый и желтый цвета диода достигаются благодаря твердым растворам арсенида-фосфида галлия (GaAsP), фосфида галлия (GaP) и фосфида алюминия-галлия-индия (AlInGaP). Диапазоны напряжения при той же силе тока 20 мА составляют:

• красного светодиода – 1,5-2,6 В;
• оранжевого светодиода – 1,7-2,8 В;
• желтого светодиода – 1,7-2,5 В.

Типовое значение напряжение всех цветов равно 2,0 В.

Зеленый светодиод получают благодаря материалам фосфида галлия (GaP) и нитрида индия-галлия (InGaN). При тех же номинальных 20 мА диапазон напряжения составит 1,7-4,0 В, а типовое значение напряжения – 2,2 В.

Голубой оттенок диода позволяют получить бинарное соединение цинка и селена – селенид цинка (ZnSe) и нитрид индия-галлия InGaN. Для этого цвета при силе тока в 20 мА диапазон напряжения определяется в рамках 3,2-4,5 В, типовое значение напряжения составляет 3,6 В.

Для получения белого света используют синие или ультрафиолетовые диоды с покрытием из люминофора либо сочетание трех светодиодов основных цветов (красный, синий, зеленый). Их параметры напряжения при силе тока в 20 мА колеблются в пределах от 2,7 до 4,3 В, типовое значение напряжения соответствует 3,6 В.

Мощность потребления светодиодов. Данный параметр необходим для выбора блока питания электроприбора, оснащенного определенным количеством светодиодов.  У каждого светодиода она индивидуальна и колеблется в диапазоне от 0,5 до 3,0 Вт.

Цветовая температура светодиода. Эта характеристика измеряется в Кельвинах (К) и имеет несколько показателей. Основное разделение представлено такими оттенками свечения:

• от 2700 К до 3500 К – теплый свет;
• 3500-5300 К – нейтральный;
• 5300-7000 К – холодное свечение.

Светоотдача и угол свечения светодиода. Яркость (интенсивность светового потока) светодиода прямо пропорциональна протекающему через него электрическому току, то есть чем напряжение будет выше, тем будет больше яркость светодиода. Единицей измерения светового потока служит люмен (лм).

Световая отдача источника света (светоотдача) – отношение излучаемого источником светового потока к потребляемой им мощности. Измеряется светоотдача в люменах на ватт (лм/Вт). Она является показателем эффективности и экономичности источников света.

Сила и угол светового потока светодиода могут варьироваться, т.к. имеют зависимость от формы и материала, выбранных для изготовления светового прибора. Однако величина угла не может превышать 120 градусов. Для увеличения угла рассеивания могут применяться специальные линзы и/или отражатели. Так, при правильном подборе подобных устройств, увеличить силу светового потока светодиода мощностью в 3 ватта возможно до 300-350 люменов.

Виды светодиодов:

– индикаторные;

– осветительные.

Индикаторные представляют собой слабые по яркости и мощности элементы, применяемые чаще всего в различных электронных приборах в качестве индикаторов включения/выключения той или иной функции: подсветка панели приборов в транспортном средстве, жидкокристаллическом телевизоре, компьютерном блоке питания и прочее. Их распространение весьма широко, т.к. эти маломощные LED-приборы не требуют дорогостоящего оборудования для изготовления, а потому их себестоимость мала.

Осветительные диоды – это элементы с высокой мощностью и яркостью, основная область применения которых – осветительные электрические приборы.

Особенности светодиодов

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.

1. Яркость выражается в единицах силы света. Она пропорциональна величине проходящего через полупроводниковый элемент электрического тока. С увеличением напряжения повышается уровень яркости.
2. 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.
3. 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.