В лампах накаливания свет получается от раскаленной до бела вольфрамовой нити, по сути - от тепла. Словно раскаленные угли в печи, подогреваемой тепловым действием электрического тока, когда электроны быстро-быстро колеблются и сталкиваются с узлами кристаллической решетки проводящего металла, при этом излучают видимый свет, на который приходится, однако, всего менее 15 % всей затрачиваемой электрической энергии, питающей лампу.

Светодиоды, в отличие от ламп накаливания, излучают свет вовсе не за счет тепла, а благодаря особенности своей конструкции, принципиально нацеленной на то, чтобы энергия тока шла именно на испускание света, причем определенной длины волны. В результате КПД светодиода, как источника света, превышает 50%.

Ток здесь проходит , при этом на переходе происходит рекомбинация электронов и дырок с излучением фотонов (квантов) видимого света с определенной частотой, а значит - с определенным цветом.

Любой светодиод принципиально устроен следующим образом. Во-первых, как отмечалось выше, здесь присутствует электронно-дырочный переход, состоящий из контактирующих друг с другом полупроводников p-типа (основные носители тока - дырки) и n-типа (основные носители тока - электроны).

Когда в прямом направлении через этот переход пропускается ток, то в месте контакта полупроводников двух противоположных типов происходит переход заряда (носители заряда перескакивают между энергетическими уровнями) из области с одним типом проводимости - в область с другим типом проводимости.

При этом электроны со своим отрицательным зарядом соединяются с ионами положительно заряженных дырок. В этот то момент и рождаются фотоны света, частота которых пропорциональна разности энергетических уровней атомов (высоте потенциального барьера) между веществами с двух сторон от перехода.

Конструктивно светодиоды бывают различных форм. Наиболее простая форма - пятимиллиметровый корпус - линза. Такие светодиоды часто можно встретить в качестве индикаторных на различной бытовой технике. Сверху корпус светодиода имеет форму линзы. Снизу внутри корпуса установлен параболический рефлектор (отражатель).

На рефлекторе находится кристалл, который излучает свет в месте прохождения тока через p-n-переход. От катода - к аноду, с рефлектора - в сторону тонкой проволочки электроны движутся через кубик - кристалл.

Этот полупроводниковый кристалл - главный элемент светодиода. Здесь он имеет размер 0,3 на 0,3 на 0,25 мм. Кристалл соединяется с анодом перемычкой из тонкой проволоки. Полимерный корпус представляет собой одновременно прозрачную линзу, которая фокусирует свет в определенном направлении, при этом получается ограниченный угол расхождения светового пучка.

На сегодняшний день доступны светодиоды всех цветов радуги, начиная от ультрафиолетового и белого, заканчивая красным и инфракрасным. Наиболее распространены: красный, оранжевый, желтый, зеленый, синий и белый цвета светодиодов. И цвет свечения здесь определяется отнюдь не цветом корпуса!

Цвет зависит от длины волны фотонов, излучаемых на p-n-переходе. Например красный цвет красного светодиода имеет характерную длину волны от 610 до 760 нм. Длина волны, в свою очередь, зависит от материала, который использовался в производстве конкретного для данного светодиода. Так, для получения цвета от красного до желтого, применяют примеси алюминия, индия, галлия и фосфора.

Для получения цветов от зеленого до голубого - азот, галлий, индий. Для получения белого цвета, к кристаллу добавляют специальный люминофор, который преобразует синий цвет в белый при помощи .

Светодиоды были изобретены около полувека назад как более удобная альтернатива миниатюрным лампам с нитями накаливания. Новые осветительные элементы были более удобны, просты в эксплуатации и энергоэффективны. На протяжении последних 30 лет светодиоды совершенствуются и дорабатываются, захватывая все большую часть рынка. Причиной большой популярности стала эксплуатационная надёжность, большой рабочий ресурс и простой принцип работы светодиода.

Историческая справка

Исторически изобретателями светодиодов считаются физики Г. Раунд, О. Лосев и Н. Холоньяк, которые по-своему дополняли технологию в 1907, 1927 и 1962 годах, соответственно:

1. Г. Раунд исследовал излучение света твердотельным диодом и открыл электролюминесценцию.
2. О. В. Лосев в ходе экспериментов открыл электролюминесценцию полупроводникового перехода и запатентовал «световое реле».
3. Н. Холоньяк считается изобретателем первого светодиода, применяемого на практике.

Светодиод Холоньяка светился в красном диапазоне. Его последователи и разработчики дальнейших лет разработали жёлтый, синий и зелёный светодиоды. Первый элемент высокой яркости для применения в волоконно-оптических линиях был разработал в 1976 году. Синий светодиод LED был сконструирован в начале 1990-х трио японских исследователей: Накамура, Амано и Акасаки.

Эта разработка отличалась крайне малой себестоимостью и, по сути, открыла эпоху повсеместного применения LED-светодиодов. В 2014 году японские инженеры получили за это Нобелевскую премию по физике.

В нынешнем мире светодиоды встречаются повсеместно:

• в наружном и внутреннем освещении светодиодными лампами и лентами;
• как индикаторы для буквенно-цифровых табло;
• в рекламной технике: бегущих строках, уличных экранах, стендах и т.п;
• в светофорах и уличном освещении;
• в дорожных знаках со светодиодным оснащением;
• в USB-устройствах и игрушках;
• в подсветке дисплеев телевизоров, мобильных устройств.

Устройство светодиода

Конструкция светодиода представлена следующими составляющими:

• эпоксидная линза;
• кристалл-полупроводник;
• отражатель;
• проволочные контакты;
• электроды (катод и анод);
• плоский срез-основание.

Рабочие контакты закреплены в основании и проходят сквозь него. Другие компоненты лампы находятся внутри неё в герметичном пространстве. Оно образовано спайкой линзы и основания. При сборке на катоде закрепляется кристалл, а на контактах – проводники, которые через p-n-переход подключены к кристаллу.

Что такое OLED?

OLED – это органические полупроводниковые светодиоды, которые производятся из органических компонентов, которые светятся при прохождении электрического тока. Для их производства применяются многослойные тонкоплёночные структуры из различных полимеров. Принцип действия таких светодиодов также базируется на p-n-переходе. Преимущества OLED проявляются в сфере дисплеев – по сравнению с жидкокристаллическими и плазменными аналогами они выигрывают по яркости, контрастности, энергопотреблению и углам обзора. Технология OLED не используется для производства осветительных и индикаторных светодиодов.

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.

Разновидности светодиодов

Последовательное совершенствование открытой в 1962 году технологии привело к созданию разнообразных базовых элементов и моделей светодиодов на их основе. На сегодняшний день классификация проводится по расчётной мощности, типу соединения и типу корпуса.

В первом случае различаются осветительные и индикаторные варианты. Первые предназначены для использования в осветительных целях. Их уровень мощности приблизительно соответствует аналогичным вольфрамовым и люминесцентным лампам. Индикаторные светодиоды не излучают сильный и используются в электронном оборудовании, приборных и навигационных панелях и т.д.

Индикаторные светодиоды между собой различают по типу соединения на тройные AlGaAs, тройные GaAsP и двойные GaP. Аббревиатуры, соответственно, означают алюминий-галлий-мышьяк, галлий-мышьяк-фосфор и галлий-фосфор. AlGaAs светят жёлтым и оранжевым в пределах видимого спектра, GaAsP- красным и жёло-зелёным, а GaP – зелёным и оранжевым.

По типу корпуса представленные в широком применении светодиодные светильники сейчас делятся на:

• DIP . Это старый форм-фактор из линзы, пары контактов и кристалла. Такие светодиоды применяются в световых табло и игрушках для подсветки;
• «Пиранья » или Superflux . Это доработанная модель DIP, которая имеет не два, а четыре контакта. Выделяет меньше тепловой энергии и, соответственно, меньше греется. Сейчас применяется в автомобильной подсветке;
• SMD . Самая популярная технология на современном рынке LED-светильников. Это универсальный чип, монтаж которого был произведён непосредственно на плате. Используется в большинстве источников света, осветительных линий, лент и т.п;
• COB . Это результат совершенствования технологии SMD. У таких светодиодов есть несколько чипов, монтированных на одной плате на алюминиевом или керамическом основании.

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.

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.

Преимущества

Особенности того, как работает светодиод, дали ему несколько важных эксплуатационных и функциональных достоинств перед другими видами преобразователей электрической энергии в световую:

• современные светодиоды не уступают по параметрам светоотдачи металлогалогенным и натриевым газоразрядным лампам;
• конструкция практически полностью исключает выход из строя каких-либо компонентов из-за вибрации и механических повреждений;
• LED-светильники малоинерционные, то есть моментально достигают полной яркости после включения;
• современный ассортимент позволяет выбирать модели со спектром от 2700 до 6500 K;
• внушительный рабочий ресурс – до 100 000 часов;
• ценовая доступность индикаторных светодиодов;
• светодиодное освещение, как правило, не требует большого напряжения и сохраняет пожарную безопасность,;
• температуры ниже 0˚С почти не сказываются на работоспособности устройств;
• строение светодиода не предусматривает использование фосфора, ртути, других опасных веществ или ультрафиолетового излучения.

Светодиод представляет собой двухпроводный полупроводниковый источник света. Когда подходящий ток подается на выводы, электроны способны рекомбинировать с электронными дырами внутри устройства, выделяя энергию в виде фотонов. Этот эффект называется электролюминесценцией, а цвет света определяется зазором энергетической зоны полупроводника.

Что такое светодиод

Светоизлучающий диод является оптоэлектронным устройством, способным излучать свет, когда через него проходит электрический ток. Светоизлучающий диод только пропускает электрический ток в одном направлении и производит некогерентное монохроматическое или полихроматическое излучение от преобразования электрической энергии.

Он имеет несколько производных :

• OLED.
• AMOLED.
• FOLED.

Из-за световой эффективности светодиоды на современном этапе представляют собой 75% рынка внутреннего и автомобильного освещения. Они используются при строительстве телевизоров с плоским экраном, а именно: для подсветки ЖК-экранов или источника электроэнергии. Используются в качестве основного освещения в OLED-телевизорах.

Первые светодиоды, поступившие в продажу, производили инфракрасный, красный, зеленый, а затем желтый свет. Выход синего светодиода, связанный с техническим и монтажным прогрессом, позволяет покрыть диапазон длины волны излучения, простирающийся от ультрафиолетового (350 нм) до инфракрасного (2 тыс. нм), который отвечает многим потребностям. Многие устройства оснащены составными светодиодами (три в одном компоненте: красный, зеленый и синий) для отображения многих цветов.

Светодиодная лампа

Светодиодные лампы - это светотехнические изделия для бытового, промышленного и уличного освещения, в которых источником света являются светодиоды. По сути это набор светодиодов и схемы питания для преобразования сетевой энергии на постоянный ток низкого напряжения.

Светодиодный светильник представляет собой отдельное и самостоятельное устройство. Его корпус чаще всего индивидуален по конструкции и специально спроектирован под различные источники освещения. Большое количество ламп и их малый размер позволяют расположить их в разных местах, собирать панели, использовать для подсветки дисплеев, телевизоров.

Освещение общего назначения требует белого света. Принцип работы светодиодной лампы основан на излучении света в очень узком диапазоне длин волн: то есть, с цветовой характеристикой энергии полупроводникового материала, который используется для изготовления светодиодов. Для излучения белого света от светодиодной лампы надо смешивать излучения от красного, зеленого и синего светодиодов или использовать люминофор для преобразования частей света в другие цвета.

Один из методов - RGB (red, green, Blue), это использование нескольких светодиодных матриц, каждая из которых излучает различную длину волн, в непосредственной близости, для создания общего белого цвета.

История создания первых ламп

Первое излучение света полупроводником датируется 1907 годом и было открыто Генри Джозефом Раундом. В 1927 году Олег Владимирович Лосев подал первый патент на то, что впоследствии будет называться светоизлучающим диодом.

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.

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

Поток тока в полупроводниках обусловлен обоими потоками свободных электронов в противоположном направлении. Следовательно, будет рекомбинация из-за потока этих носителей заряда.

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 :

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:

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.

Преимущества и недостатки

Как и любое устройство светодиод также имеет ряд своих особенностей, основные преимущества и недостатки.

Главные преимущества выглядят так:

Из недостатков можно отметить такие:

Устройства для освещения с помощью светодиодов последние годы наступают победным маршем. На прилавках магазинов большой выбор китайских светодиодных фонариков, по цене не на много превышающих стоимость входящих в них батареек, которые светят ярче и долше чем их аналоги с лампочками внутри. За счет чего светодиод оказался в столь выигрышном положении?

Для тех, кто не в курсе: светодиод - это такой полупроводниковый прибор, в котором электрический ток преобразуется непосредственно в световое излучение. Диод - то есть ток пропускать он способен только в одном направлении (см. статью Как работает диод) Кстати, по-английски светодиод называется light emitting diode, или LED.

Светодиод состоит из полупроводникового кристалла на токонепроводящей подложке, корпуса с контактными выводами и оптической системы. Для повышения жизнестойкости пространство между кристаллом и пластиковой линзой заполнено прозрачным силиконом. Алюминиевая основа служит для отвода избыточного тепла. Которого, надо сказать, выделяется совсем небольшое количество.

Свечение в полупроводниковом кристалле возникает при рекомбинации электронов и дырок в области p-n-перехода. Область p-n-перехода, образуется контактом двух полупроводников с разными типами проводимости. Для этого приконтактные слои полупроводникового кристалла легируют разными примесями: по одну сторону акцепторными, по другую - донорскими.

Чтобы p-n-переход стал излучать свет, ширина запрещенной зоны в активной области светодиода должна быть близка к энергии квантов света видимого диапазона. Во-вторых, полупроводниковый кристалл должен содержать мало дефектов, из-за которых рекомбинация происходит без излучения. Чтобы соблюсти оба условия, зачастую одного р-п-перехода в кристалле оказывается недостаточно, и производители вынуждены идти на изготавление многослойных полупроводниковых структур, так называемых гетероструктур.

Очевидно, что чем больший ток проходит через светодиод, тем он светит ярче, поскольку чем больше ток, тем больше электронов и дырок поступают в зону рекомбинации в единицу времени. Однако, из-за внутреннего сопротивления полупроводника и p-n-перехода диод нагревается и при большом токе может сгореть - расплавятся подводящие провода или будет пережжен сам полупроводник.

В отличие от ламп накаливания, электрический ток в светодиодах преобразуется непосредственно в световое излучение, при небольшом количестве потерь на нагревание. В результате светодиоды на несколько порядков более экономичны и незаменимы в тех приборах, где нагревание недопустимо. Особенностью светодиода является излучение в узкой части спектра. За это он полюбился дизайнерам для изготовления световой рекламы и декорирования помещений. УФ- и ИК-излучения, как правило, в светодиодах отсутствуют. Светодиод обладает высокой механической прочностью и надежностью. Срок службы светодиода достигает 100 тысяч часов, что почти в 100 раз больше, чем у лампочки накаливания, и в 5 - 10 раз больше, чем у люминесцентной лампы. Наконец, светодиод - низковольтный электроприбор, а стало быть, безопасный.

Единственный недостаток технологии - высокая стоимость. На данный момент цена одного люмена, излученного светодиодом, в 100 раз выше, чем люмена излученного лампой накаливания. Впрочем производители прогнозируют снижение этого показателя в ближайшие годы в 10 раз.

Светодиоды на основе фосфида и арсенида галлия, излучающие в желто-зеленой, желтой и красной областях спектра были разработаны еще в 60-х - 70-х годах прошлого столетия. Их применяли в световых индикаторах, табло, приборных панелях автомобилей и самолетов, рекламных экранах, различных системах визуализации информации. По светоотдаче светодиоды обогнали обычные лампы накаливания. По долговечности, надежности, безопасности они тоже их превзошли. Долго не существовало светодиодов синего, сине-зеленого и белого цвета. Цвет светодиода зависит от ширины запрещенной зоны, в которой рекомбинируют электроны и дырки, то есть от материала полупроводника и легирующих примесей. Чем «синее» светодиод, тем выше энергия квантов, а значит, тем больше должна быть ширина запрещенной зоны.

Голубые светодиоды удалось изготовить на основе полупроводников с большой шириной запрещенной зоны - карбида кремния, соединений элементов II и IV группы или нитридов элементов III группы. Однако, у светодиодов на основе SiC оказался слишком мал КПД и низок квантовый выход излучения (то есть число излученных квантов на одну рекомбинировавшую пару). У светодиодов на основе твердых растворов селенида цинка ZnSe квантовый выход был выше, но они перегревались из-за большого сопротивления и оказались недолговечны. Первый голубой светодиод удалось изготовить на основе пленок нитрида галлия на сапфировой(!) подложке.

Квантовый выход - это число излученных квантов света на одну рекомбинировавшую электронно-дырочную пару. Различают внутренний и внешний квантовый выход. Внутренний - в самом p-n-переходе, внешний - для прибора в целом (ведь свет может теряться «по дороге» - поглощаться, рассеиваться). Внутренний квантовый выход для хороших кристаллов с хорошим тепло-отводом достигает почти 100%, рекорд внешнего квантового выхода для красных светодиодов составляет 55%, а ддя синих - 35%. Внешний квантовый выход - одна из основных характеристик эффективности светодиода.

Белый света от светодиодов можно получить несколькими способами. Первый - смешать цвета по технологии RGB. На одной матрице плотно размещаются красные, голубые и зеленые светодиоды, излучение которых смешивается при помощи оптической системы, например линзы. В результате получается белый свет. Второй способ заключается в том, что на поверхность светодиода, излучающего в ультрафиолетовом диапазоне (есть и такие), наносится три люминофора, излучающих, соответственно, голубой, зеленый и красный свет. По принципу люминесцентной лампы. Третий способ - это когда желто-зеленый или зелено-красный люминофор наносятся на голубой светодиод. При этом два или три излучения смешиваются, образуя белый или близкий к белому свет.

У каждого способа есть свои достоинства и недостатки. Технология RGB в принципе позволяет не только получить белый цвет, но и перемещаться по цветовой диаграмме при изменении тока через разные светодиоды. Получается целый осветительный комплекс, которым можно управлять вручную или посредством программы. Такие эффекты широко используются дизайнерами и производителями елочных гирлянд и аналогичных устройств. Кроме того, большое количество светодиодов в матрице обеспечивает высокий суммарный световой поток и большую осевую силу света. Недостатком системы является неодинаковый цвет в центре светового пятна и по краям. Кроме этого, из-за неравномерного отвода тепла с краев матрицы и из ее середины светодиоды нагреваются по-разному, и, соответственно, по-разному изменяется их цвет в процессе старения - суммарные цветовая температура и цвет «плывут» за время эксплуатации. Это неприятное явление достаточно сложно и дорого скомпенсировать. Белые светодиоды с люминофорами существенно дешевле, чем светодиодные RGB-матрицы (в пересчете на единицу светового потока), и позволяют получить хороший белый цвет. Недостатки их: во-первых, у них меньше, чем у RGB-матриц, светоотдача из-за преобразования света в слое люминофора; во-вторых, достаточно трудно точно проконтролировать равномерность нанесения люминофора в технологическом процессе и, следовательно, цветовую температуру; и наконец в-третьих - люминофор тоже стареет, причем быстрее, чем сам светодиод.

Промышленность выпускает как светодиоды с люминофором, так и RGB-матрицы - у них разные области применения. Обычный светодиод, применяемый для индикации, потребляет от 2 до 4 В постоянного напряжения при токе до 50 мА. Светодиод, который используется для освещения, потребляет такое же напряжение, но ток выше - от нескольких сотен мА до 1 А в проекте. В светодиодном модуле отдельные светодиоды могут быть включены последовательно и суммарное напряжение оказывается более высоким (обычно 12 или 24 В).

При подключении светодиода необходимо соблюдать полярность, иначе прибор может выйти из строя. Напряжение пробоя обычно составляет более 5 В для одного светодиода. Яркость светодиода характеризуется световым потоком и осевой силой света, а также диаграммой направленности. Существующие светодиоды разных конструкций излучают в телесном угле от 4 до 140 градусов. Цвет, как обычно, определяется координатами цветности и цветовой температурой, а также длиной волны излучения.

Яркость светодиодов регулируется не за счет снижения напряжения питания, а так называемым методом широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Для этого необходим специальный управляющий блок. 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.

Светодиоды достаточно долговечны, однако срок службы у мощных светодиодов короче, чем у маломощных сигнальных. Впрочем, и он составляет в настоящее время 20 - 50 тысяч часов. Старение выражается в первую очередь в уменьшении яркости и с изменением цвета.

Спектр излучения светодиода близок к монохроматическому, в чем его кардинальное отличие от спектра солнца или лампы накаливания. Серьезных исследований на влияние такого освещение на зрение никогда не проводилось.

В переводе с английского сокращение LED дословно означает «диод, который излучает свет». Это полупроводниковое устройство, способное трансформировать электрический ток в простое приспособление, конструкция которого довольно сильно отличается от привычных нам изделий для освещения (лампы накаливания, разрядные, люминесцентные лампы и т. д.).

Как работает светодиод, будет интересно узнать каждому. Этот прибор не имеет изначально ненадежных хрупких элементов конструкции и стеклянной колбы (в отличие от других ламп). Стоимость диодов настолько мала, что ненамного отличается от батареек, которые служат их источником питания. Популярность подобных изделий объясняется рядом факторов, в том числе и их конструкцией.

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 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).

Устройство светодиода

Чтобы понять, как работает точечный светодиод, необходимо подробно рассмотреть его устройство. Этот осветительный прибор, по мнению представителей Ассоциации развития оптоэлектронной индустрии и департамента энергетики, в скором времени станет самым востребованным источником освещения в обычных домах, офисах, учреждениях.

Светодиод имеет основой полупроводниковый кристалл. Он пропускает электрический ток только в одну сторону. Кристалл расположен на особой подложке. Она не проводит ток. Корпус защищает кристалл от внешних воздействий. Он имеет выходы в виде контактов, а также оптическую систему.

Чтобы повысить продолжительность эксплуатации прибора, пространство между пластиковой линзой и самим кристаллом заполнили прозрачным силиконовым компонентом. Чтобы отводить избыточное тепло, применяется алюминиевая основа. Это обычное устройство современного диода. При работе он выделяет относительно небольшое Это также является преимуществом прибора.

Принцип работы

Рассматривая, как работает светодиод, необходимо вникнуть в основной принцип работы подобных устройств. Прибор представленного типа имеет один электронно-дырчатый переход. Это связано с разным принципом проводимости компонентов осветителя. Один полупроводник имеет излишек электронов, а другой - излишек дырок.

При помощи процесса легирования дырчатый материал обогащается носителями отрицательного заряда. Если в месте обогащения полупроводников противоположными зарядами приложить ток, получится прямое смещение. Через переход этих двух материалов побежит электричество.

При этом в корпусе диода происходит сплавление носителей зарядов с различным электрическим статусом. Когда дырки и электроны сталкиваются, выделяется определенное количество энергии. Это квант светового потока. Его называют фотоном.

Цвет светодиода

При создании диодов применяются различные полупроводниковые материалы. Это определяет цвет, который испускает при работе представленное устройство. Разные материалы способны посылать в пространство волны разной длины. Это позволяет человеческому глазу увидеть тот или иной цвет видимого спектра.

Изучая вопрос, как работает светодиод, следует рассмотреть материалы полупроводников. Раньше в подобных целях применялись фосфид галлия, тройные соединения GaAsP, AlGaAs. При этом прибор мог посылать в пространство красный, желто-зеленый

Представленная технология ныне применяется только для индикаторных устройств. Сегодня для таких изделий используют алюминий индий-галлий (AllnGaP) и индий-нитрид галлия (InGaN). Они выдерживают довольно высокий уровень проходящего тока, высокие показатели влажности и нагрева. Возможна комбинация светодиодов разных типов.

Смешение цветов

Современные диодные ленты могут выдавать разные оттенки светового потока. Один прибор может производить монотонный цвет. При создании многокристального устройства возможно получить огромное количество различных оттенков. Подобно монитору телевизора или компьютера, диод может создать любой цвет при помощи модели RGB (расшифровывается как красный, зеленый, синий).

Это простой принцип, позволяющий понять, как работают RGB-светодиоды. При помощи этой технологии можно создавать и белое освещение. Для этого все три цвета смешиваются в равной пропорции.

Однако, помимо представленной технологии, можно получить белое свечение при соединении диода коротковолнового излучения (ультрафиолетовый, синий) вместе с желтым покрытием люминофорного типа. При комбинации фотонов желтого и синего цвета в итоге получается белое свечение.

Производство

Чтобы понять, от скольких вольт работают светодиоды, необходимо рассмотреть производство этих устройств. В первую очередь следует отметить, что приборы с матрицей типа RGB стоят дороже, чем люминоформы. Причем последние позволяют добиться освещения высокого качества.

Недостатком люминофоров является меньшая светоотдача, а также различная окраска (температура) потока. Это устройство стареет быстрее, чем светодиод. Поэтому в продажу поступают осветительные приборы обоих принципов работы. Для создания индикаторов производятся диоды с потреблением 2-4 В напряжения постоянного типа (при токе 50 мА).

Для создания полноценного освещения необходимы устройства с таким же потреблением напряжения, но более высоким уровнем тока - до 1 А. Если в одном модуле диоды подключить последовательно, суммарное напряжение будет достигать 12 или 24 В.

Усиление яркости

Рассматривая вопрос, от какого напряжения работают светодиоды, следует сказать о повышении яркости представленных устройств. Мощность таких приборов достигает 60 мВт. Если подобные диоды установить в средний по габаритам корпус, световых элементов потребуется установить 15-20 шт.

Диоды с усиленной яркостью свечения могут нести в себе мощность до 240 Вт. Чтобы обеспечить нормальную подсветку, подобных элементов потребуется 4-8 шт. В продаже представлены устройства, способные полноценно освещать помещения, наружную рекламу, витрины и т. д. Некоторые ленты создаются для выполнения подсветки средней или малой интенсивности.

Для подключения представленного оборудования применяют блоки управления соответствующей мощности. Для цветных лент возможно применять контроллеры, управляющие не только интенсивностью освещения, но и задающие оттенки и режимы работы устройства.

Управление свечением

Существует огромное количество вариантов представленного оборудования. Есть светодиоды, работающие от батареек (например, в фонариках), запитанные в стационарную сеть. Их применяют как для внутренней, так и внешней работы. В зависимости от условий применения подбирается соответствующий класс защиты диода.

Чтобы отрегулировать яркость свечения, напряжение питания не снижают. Для уменьшения интенсивности свечения применяется широтно-импульсная модуляция (ШИМ). В этом случае приобретается блок управления.

Представленный метод заключается в подаче на диод импульсно-модулированного тока. Частота сигнала при этом достигает тысяч герц. Может изменяться ширина импульсов и интервалов пауз. При этом можно управлять свечением прибора. Диод в этом случае не погаснет.

Долговечность

Диоды считаются долговечными устройствами. Это объясняется их конструкцией. Однако если не работают светодиоды на лампе, возможно, срок их эксплуатации вышел. Это можно определить по насыщенности свечения и изменению цвета.

Также специалисты отмечают, что срок эксплуатации маломощных устройств гораздо продолжительнее. Но даже в самых ярких лентах или лампах диоды гарантированно работают 20-50 тыс. часов. Так как они не имеют хрупких элементов конструкции, механические воздействия с большей вероятностью не нанесут вреда подобным осветителям.

Изучив, как работает светодиод, можно понять принцип устройства этого прибора, а также его эксплуатационные характеристики. Это оборудование считается осветителями будущего поколения.