Светодиод — это полупроводниковый прибор, преобразующий электрический ток непосредственно в световое излучение. Светодиод состоит из полупроводникового кристалла (чипа) на подложке, корпуса с контактными выводами и оптической системы. Излучаемый полупроводниковым кристаллом свет попадает в миниатюрную оптическую систему, состоящую из рефлектора и прозрачного корпуса светодиода. Изменяя конфигурацию рефлектора и линзы, добиваются необходимой направленности излучения: светодиоды бывают как узко, так и широконаправленные.
Почему светодиод светит
Кристалл светодиода, как и у обычных диодов состоит из двух типов полупроводника - с электронной (n -типа) и с дырочной (p -типа) проводимостью. На границе разнотипных полупроводников существует энергетический барьер ("запрещённая зона"), который препятствует p-n переходам. Под действием электрического поля происходит рекомбинация электронно-дырочной пары с излучением кванта света . Однако, не всякий p-n-переход излучает свет. Для нужно выполнение 2х условий: во-первых, ширина запрещенной зоны в активной области светодиода должна быть близка к энергии квантов света видимого диапазона, а 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. На практике одного р-п-перехода в кристалле оказывается недостаточно для выполнения обоих условий и потому приходится изготавливать многослойные полупроводниковые структуры ("гетероструктуры"). За изучение таких гетероструктцр российский физик академик Жорес Алферов получил Нобелевскую премию 2000 года.
Цвет светодиода зависит от ширины запрещенной зоны, в которой рекомбинируют электронно-дырочные пары, то есть от материала полупроводника, и от легирующих примесей. Именно с этим было связано столь позднее появление синих светодиодов.
Яркость светодиода зависит от проходящего через него тока. Чем больше ток, тем больше электронов и дырок поступают в зону рекомбинации в единицу времени. Но ток нельзя увеличивать до бесконечности. Из-за внутреннего сопротивления полупроводника и p-n-перехода диод перегреется и выйдет из строя.
Отдельно следует сказать про белые светодиоды. Как известно, чистого белого света в природе не существует, а то, что мы называем белым светом, на самом деле есть комбинация зелёного, синего и красного цветов. Поскольку кристалл светодиода излучает чистый свет, то белый он излучать не может. Поэтому для получения белого света изготовителям приходится прибегать к некоторым трюкам. Существует 2 способа получить белый свет от светодиода:
- смешивание цветов по технологии RGB, когда внутри светодиода близко друг к другу располагаются 3 кристалла: красный, зелёный и синий. Одновременное свечение всех 3х с одинаковой яркостью даст на выходе белый свет. Регулируя яркость отдельных цветов, можно получить нужный оттенок белого. Такой способ обычно применяется при изготовлении светодиодных экранов.
- Покрывать синий или ультрафиолетоый светодиод слоями люминофора.
Особенности светодиодов
- При должном теплоотводе светодиод мало нагревается;
- светодиод излучает свет в узкой части спектра, что делает его цвет чистым, а УФ- и ИК-излучения, как правило, отсутствуют.
- В светодиоде отсутствуют хрупкие стеклянные элементы. Он механически прочен и надежен, а его срок службы может достигать 100 000 часов, что почти в 100 раз больше, чем у лампочки накаливания, и в 5 — 10 раз больше, чем у люминесцентной лампы.
- Светодиод — низковольтный электроприбор, а значит безопасный.
Рост интереса к светодиодам возрастает с каждым днем, притом это происходит гораздо быстрее, чем растет область их применения. Но создается впечатление, что потребители и производители, покупатели и продавцы не совсем понимают тенденции в этой сфере. И лишь смелые решения дизайнеров в полную силу используют весь потенциал светодиодов.
Прошло то время, когда только ученые занимались светодиодами. Сейчас об этом продукте знают даже школьники. Светодиод отличается тем, что излучает свет, отличающийся по своим характеристикам и перспективами в своей области применения. Активно внедряют светодиоды в оформление интерьеров и светодизайна.
Для того, чтобы как можно более полно представить себе всю значимость такой разработки как светодиоды, нужно разобраться, что же такое светодиод, выяснить его недостатки и положительные стороны.
Что такое светодиод?
Светодиод – это прибор, состоящий из полупроводников. Он предназначен для обработки электрического тока в световое излучение, то есть, электромагнитное излучение видимой части спектра. Что касается названия, то аббревиатура «LEG», расшифровывается как – «Light Emitting Diode» и обозначает все тот же «светодиод».
Из чего состоит светодиод?
Светодиод состоит из полупроводникового кристалла с оптической системой и контактного вывода. Вся эта несложная конструкция находится в корпусе. Современные светодиоды совсем не похожи на те, что использовались раньше лишь для индикации.
Основные преимущества светодиодов
Светодиод преобразовывает электрический ток в световое излучение почти без выделения тепла, вследствие чего КПД светодиода достаточно высок.
Вырабатываемый свет светодиода, с точки зрения дизайнеров, является более чистым.
В сравнении с другими лампами срок службы светодиода значительно больше.
Конструкция светодиода прочна и надежна.
Для работы светодиодов не требуется высоких напряжений, а значит, они безопасны.
Получение белого света, используя светодиод.
светодиод — получение белого света
Тремя способами получается белый свет при помощи светодиода.
1. При помощи технологии RGB (аббревиатура расшифровывается как «RED GREEN BLUE»), то есть, путем смешивания трех цветов – зеленого, синего и красного. Вплотную на матрице хаотично размещаются светодиоды трех цветов. При помощи оптической системы эти цвета смешиваются.
2. На поверхность светодиода, который работает в ультразвуковом диапазоне, наносят люминофоры из трех все тех же цветов – красный, зеленый, синий. По своему принципу метод работы в этом случае похож на действие люминесцентной лампы.
3. На излучающий синий цвет светодиод наносится желто-зеленый люминофор или красно-зеленый. После смешивания цветов получается белый свет.
Оптические и электрические характеристики светодиодов
Светодиоды – это низковольтные приборы. Если использовать данный прибор для индикации, то будет достаточно 2-4 вольт напряжения при силе тока до 50 мА. Если использовать светодиоды для освещения, то ток в цепи будет колебаться от нескольких сотен мА до одного мА при напряжении 2-4 вольта. В светодиодных модулях светодиоды в электрической цепи соединены последовательно, подобно гирлянде, и для их работы нужно напряжение в 12 или 24 вольт.
Светодиоды работают от постоянного тока в цепи, поэтому при подключении очень важно соблюдать его полярность, иначе прибор просто-напросто не будет работать или совсем выйдет из строя. Часто производители на корпусе светодиодного модуля указывают их рабочее напряжение. По правилам для одного диода оно не должно превышать 5 вольт.
Яркость светодиода зависит от диаграммы направленности и осевой силы светового потока. Излучающий светодиодом свет находится в телесном углу от 4є до 140є, последнее зависит от конструкции светодиода. Цветовые параметры определяются координатами цветности, так называемой длиной волны света и цветовой температурой. Эффективность светодиода определяется отношением величины светового потока к затраченной на него энергии.
Для чего нужно стабилизировать ток для светодиодов
Как известно, в рабочей цепи сила тока прямо пропорциональна напряжению, то есть, любое изменение напряжения приведет к увеличению тока. При превышении допустимых значений тока можно уменьшить срок использования светодиодов или совсем вывести их из строя. Так же при нестабильном токе яркость светодиода будет постоянно колебаться.
Допустимо ли регулировать яркость светодиодов
Регулировать яркость светодиодов можно, но с одним примечанием. Регулировка яркости возможна с помощью широтно-импульсивного метода модуляции, но ни в коем случае не за счет снижения напряжения. Широтно-импульсную модуляцию можно достигнуть с помощью управляющего блока ШИМ (часто этот блок совмещен вместе с коллектором управления цветом и блоком питания). Метод заключается в том, что в цепи создается импульсивно-модулированный ток вместо постоянного, и от ширины и частоты импульсов тока будет зависеть яркость свечения. Теперь яркость светодиода можно регулировать. Так же изменить температуру цвета светодиода можно при помощи метода диммирования.
От чего зависит срок службы светодиода
Существует мнение, что светодиоды долговечны. Но это не совсем верное мнение. Срок использования светодиодов зависит от их нагрева, а это непосредственно зависит от того, какой силы ток проходит через них. Из этого вытекает, что светодиоды с большей мощностью прослужат меньше, чем те, у которых мощность меньше. В среднем срок использования светодиодов с большой мощностью составляет от 20 тысяч часов до 50. Если яркость светодиода уменьшилась, это является признаком его старения. При снижении яркости на 30% и более следует сменить светодиод на новый.
Вредны ли светодиоды для зрения
По своим свойствам свет, излучаемый светодиодом, очень схож с характеристиками света от люминесцентной лампы. Это значит, что светодиодное излучение похоже на монохроматический свет, что являемся основным отличием от солнечного освещения или лампы накаливания. На данный момент отсутствуют глубокие исследования в этой области, поэтому хорошо это или плохо сказать сложно. Так же нет никаких данных о вреде света, излучаемого светодиодами.
Где наиболее выгодно использовать светодиодное освещение
Область, где применяются светодиоды, достаточно обширна. Их можно применять практически везде, можно лишь исключить производственные помещения, в которых их допускается использовать в качестве аварийного освещения.
Дизайнеры широко используют светодиоды в своих проектах из-за их чистого цвета. Так же светодиодное освещение будет незаменимо в условиях жесткой экономии электричества или при высоких требованиях к электробезопасности.
Применение и возможности светодиодов
Впервые светодиоды были изобретены примерно в 60-е годы 20-го века. Но массовое производство и их применение как основного источника света было довольно ограниченно, так как их изготовление требовало достаточно больших денежных средств, и отсутствовал белый и синий цвет. Из-за этих факторов использование светодиодов было ограничено. В основном их применяли для регулировки дорожного движения, в медицинской технике и для передачи информации в опто — волоконных системах.
Лишь к середине 90-х годов начали появляться сверхяркие светодиоды, а вначале 2000х – синие и белые. Постепенно себестоимость светодиодов снизилась, что привлекло внимание производителей и спонсоров к этому источнику света. После этого область, где применяются светодиоды, значительно расширилась. Сначала их использовали как индикаторы в бытовых электронных устройствах и в качестве подсветки в жидкокристаллических экранах. После того, как стало возможным получать любые оттенки с помощью основных цветов, светодиоды стали использовать для конструирования дисплеев, которые позволяют выводить анимацию и полноцветную графику.
Из-за низкого уровня потребляемой мощности LEG-технологии являются самым оптимальным материалом для декоративного освещения. В отличие от люминесцентных ламп, срок использования светодиодов гораздо больше, — примерно в 6-8 раз. Простота сборки и антивандальные качества делают светодиоды конкурентоспособными наряду с остальными искусственными источниками.
Светодиод, или светоизлучающий диод (СД, СИД, LED от английского “Light-emitting diode ”), является полупроводниковым прибором с электронно-дырочным переходом (pn-переходом) или контактом металл-проводник, создающий оптическое излучение при прохождении электрического тока через него в прямом направлении. Кристалл светодиода создает оптическое излучение в довольно узком спектре. Его спектральные характеристики зависят в первую очередь от химического состава полупроводников, используемых при его изготовлении. Иными словами, кристалл светодиода излучает конкретный цвет (если речь идёт об СД видимого диапазона), в отличие от лампы, излучающей более широкий спектр, и где конкретный цвет отсеивается внешним светофильтром.
История
Электролюминесценция впервые была открыта и описана в 1907 году, учёным Генри Джозеф Раундом, который обнаружил её при изучении прохождения тока в паре металл — карбид кремния (карборунд, SiC), и отметил жёлтое, зелёное и оранжевое свечение на катоде.
Эти эксперименты были позже, независимо от Раунда, повторены О. В. Лосевым в 1923 году, который, экспериментируя с выпрямляющим контактом из пары карборунд — стальная проволока, обнаружил в точке контакта двух разнородных материалов слабое свечение — электролюминесценцию полупроводникового перехода (в то время понятия «полупроводниковый переход» ещё не существовало). Это наблюдение было опубликовано, но тогда весомое значение этого наблюдения не было понято и потому не исследовалось в течение многих десятилетий.
Вероятно, первый светодиод, излучающий свет в видимом диапазоне спектра, был изготовлен в 1962 году в Университете Иллинойса (США) группой, которой руководил Ник Холоньяк.
Диоды, сделанные из непрямозонных полупроводников (например, кремния, германия или карбида кремния), свет практически не излучают. Впрочем, в связи с развитием кремниевой технологии, активно ведутся работы по созданию светодиодов на основе кремния. Советский жёлтый светодиод КЛ 101 на основе карбида кремния выпускался ещё в 70-х годах, однако имел очень низкую яркость. В последнее время большие надежды связываются с технологией квантовых точек и фотонных кристаллов.
В чем разница?
Светодиодная технология излучения света кардинально отличается от традиционной технологии свечения источников света, таких как лампы накаливания, люминесцентные лампы и разрядные лампы высокого давления. В светодиоде нет ни газа, ни нити накала, он не имеет хрупкой стеклянной колбы и потенциально ненадежных подвижных деталей.
Главным отличием светодиодных источников света от традиционных является то, что в светодиодах применяется совершенно иной принцип генерации света и используются абсолютно другие материалы. Менее очевидным отличием является то, что в светодиодном световом приборе стирается граница между лампой и светильником. В светодиодной осветительной технике «лампы», которыми являются светодиоды, неотделимы от «светильника», а именно: корпуса, электроники и линзы.
Характеристики светодиодов
Вольт-амперная характеристика светодиодов в прямом направлении нелинейна. Диод начинает проводить ток, начиная с некоторого порогового напряжения. Это напряжение позволяет достаточно точно определить материал полупроводника.
Современные сверхъяркие светодиоды обладают менее выраженной полупроводимостью, чем обычные диоды. Высокочастотные пульсации в питающей цепи (т. н. «иголки») и выбросы обратного напряжения приводят к ускоренному деградированию кристалла. Скорость деградирования также зависит от питающего тока (нелинейно) и температуры кристалла (нелинейно).
Стоимость
Стоимость мощных светодиодов, применяемых в портативных прожекторах и автомобильных фарах, на сегодняшний день довольно высока — порядка 8-10$ и более за штуку. Как правило, в небольших фонариках и бытовых лампах-сборках используется несколько десятков не слишком мощных светодиодов.
К началу 2011 года стоимость мощных (1 Вт и более) светодиодов снизилась и начинается от 0,9 $. Стоимость сверхмощных (10Вт и более P7 и CREE M-CE 15-20$ CREE XM-L 10W 1000Lm) составляет порядка 10$.
Преимущества
По сравнению с другими электрическими источниками света (преобразователями электроэнергии в электромагнитное излучение видимого диапазона), светодиоды имеют следующие отличия:
Высокая световая отдача. Современные светодиоды сравнялись по этому параметру с натриевыми газоразрядными лампами и металлогалогенными лампами, достигнув 150 Люмен на Ватт;
Высокая механическая прочность , вибростойкость (отсутствие нити накаливания и иных чувствительных составляющих);
Длительный срок службы — от 30000 до 100000 часов (при работе 8 часов в день — 34 года). Но и он не бесконечен — при длительной работе и/или плохом охлаждении происходит «отравление» кристалла и постепенное падение яркости;
Спектр современных светодиодов бывает различным — от тёплого белого (2700 К) до холодного белого (6500 К);
Малая инерционность — включаются сразу на полную яркость, в то время как у ртутно-фосфорных (люминесцентных-экономичных) ламп время включения от 1 сек до 1 мин, а яркость увеличивается от 30 % до 100 % за 3-10 минут, в зависимости от температуры окружающей среды;
Количество циклов включения-выключения не оказывают существенного влияния на срок службы светодиодов (в отличие от традиционных источников света — ламп накаливания, газоразрядных ламп);
Различный угол излучения — от 15 до 180 градусов;
Низкая стоимость индикаторных светодиодов , но относительно высокая стоимость при использовании в освещении, которая снижается при увеличении производства и продаж (экономия от масштаба);
Безопасность — нет необходимости в высоком напряжении;
Нечувствительность к низким и очень низким температурам . Однако высокие температуры противопоказаны светодиоду, как и любым полупроводникам;
Экологичность — отсутствие ртути, фосфора и ультрафиолетового излучения, в отличие от люминесцентных ламп.
Применение светодиодов
В уличном, промышленном, бытовом освещении (в том числе светодиодная лента);
В качестве индикаторов — как в виде одиночных светодиодов (например, индикатор включения на панели прибора), так и в виде цифрового или буквенно-цифрового табло (например, цифры на часах);
Массив светодиодов используется в больших уличных экранах, в бегущих строках. Такие массивы часто называют светодиодными кластерами или просто кластерами;
В оптопарах;
Мощные светодиоды используются как источники света в фонарях и светофорах;
Светодиоды используются в качестве источников модулированного оптического излучения (передача сигнала по оптоволокну, пульты ДУ, интернет);
В подсветке ЖК-экранов (мобильные телефоны, мониторы, телевизоры и т. д.);
В играх, игрушках, значках, USB-устройствах и прочее;
В светодиодных дорожных знаках;
В гибких ПВХ световых шнурах Дюралайт.
Если после прочтения данной статьи у Вас ещё остались вопросы по поводу светодиодного оборудования, то мы с радостью поможем выбрать светильник, который подойдет именно Вам!