Светодиоды. Виды и устройство. Работа и применение. Особенности

Светодиоды для человечества стали одним из наиболее распространенных источников света для промышленных и бытовых нужд. Этот полупроводниковый прибор имеет один электрический переход, он преобразует электроэнергию в энергию видимого светового излучения. Явление открыто Генри Джозефом Раундом в 1907 году. Первые эксперименты были поставлены советским физиком-экспериментатором О.В. Лосевым, которому в 1929 году удалось получить рабочий прототип современного светодиода.

Первые современные светодиоды (СД, СИД, LED) были созданы в начале шестидесятых годов. У них было слабое красное свечение, их применяли в качестве индикаторов включения в самых разных приборах. В 90-х появились синие, желтые, зеленые и белые светодиоды. Их стали выпускать в промышленных масштабах многие компании. Сегодня LED-диоды применяются повсеместно: в светофорах, лампочках, автомобилях и так далее.

Устройство

Светодиод представляет полупроводниковый прибор с электронно-дырочным переходом, который создает оптическое излучение при прохождении через него тока в прямом направлении.

Стандартный индикаторный светодиод выполнен из следующих частей:

 

1 — Эпоксидная линза
2 — Проволочный контакт
3 — Отражатель
4 — Полупроводник (Определяет цвет свечения)
5 и 6 — Электроды
7 — Плоский срез

В основании светодиода закрепляются катод и анод. Все устройство сверху герметично закрыто линзой. На катоде установлен кристалл. На контактах имеются проводники, которые подсоединены к кристаллу p-n-переходом (проволока соединения для объединения двух проводников с различными типами проводимости). Для создания стабильной работы светодиода применяется теплоотвод, который необходим для осветительных приборов. В индикаторных приборах тепло не имеет решающего значения.

DIP-диоды имеют выводы, которые монтируются в отверстия печатной платы, они при помощи пайки подсоединяются на электрический контакт. Имеются модели с несколькими кристаллами различного цвета в одном корпусе.

SMD-светодиоды сегодня являются наиболее востребованными источниками света любых форматов.

• Основа корпуса, куда крепится кристалл, является отличным проводником тепла. Благодаря этому в разы улучшился отвод тепла от кристалла.
• В структуре белых светодиодов между линзой и полупроводником имеется слой люминофора, который нейтрализует ультрафиолет и задает необходимую цветовую температуру.
• В SMD-компонентах, имеющих широкий угол излучения, линза отсутствует. При этом сам светодиод выделяется формой параллелепипеда.

Chip-On-Board (COB) представляют новейшее практическое достижение, которое должно занять в искусственном освещении лидерство в создании белых светодиодов.

 

Устройство светодиодов по технологии COB предполагает следующее:

• На алюминиевую основу посредством диэлектрического клея крепят десятки кристаллов без подложки и корпуса.
• Полученная матрица покрывается общим слоем люминофора. В итоге получается источник света, который имеет равномерное распределение светового потока без возможности появления теней.

Разновидностью Chip-On-Board является Chip-On-Glass (COG) технология, предусматривающая размещение на поверхности из стекла множества мелких кристаллов. К примеру, это филаментные лампы, где излучающим элементом является стеклянный стержень со светодиодами, которые покрыты люминофором.

Принцип действия

Несмотря на технологические особенности и разновидности, работа всех светодиодов основывается на общем принципе функционирования излучающего элемента:

• Преобразование электроэнергии в световой поток осуществляется в кристалле, который выполнен из полупроводников с самым разным типом проводимости.
• Материал с n­-проводимостью обеспечивают путем легирования его электронами, а материал с p-проводимостью при помощи дырок. В результате в сопредельных слоях появляются дополнительные носители заряда разной направленности.
• При подаче прямого напряжения стартует движение электронов, а также дырок к p-n-переходу.
• Заряженные частицы проходят барьер и начинают рекомбинировать, вследствие этого протекает электрический ток.
• Процесс рекомбинации электрона и дырки в зоне p-n-перехода идет выделением энергии в качестве фотона.

В целом, указанное физическое явление свойственно всем полупроводниковым диодам. Однако длина волны фотона в большинстве случаев располагается за пределами видимого спектра излучения. Чтобы элементарная частица двигалась в диапазоне 400-700 нм, ученые проводили множество опытов и экспериментов с разными химическими элементами. В итоге появились новые соединения: фосфид галлия, арсенид галлия и более сложные формы. У каждой из них своя длина волны, то есть свой цвет излучения.
К тому же, кроме полезного света, который испускает светодиод, на p-n-переходе образуется некоторое количество теплоты, которое уменьшает эффективность полупроводникового прибора. Именно поэтому в конструкции мощных светодиодов предусматривается эффективный отвод тепла.

Разновидности

На текущий момент LED-диоды могут быть следующих видов:

• Осветительные, то есть с большой мощностью. Их уровень освещенности равен вольфрамовым и люминесцентным источникам света.
• Индикаторные – с небольшой мощностью, их применяют для подсветки в приборах.

Индикаторные LED-диоды по типу соединения делятся на:

• Двойные GaP (галлий, фосфор) – имеют зеленый и оранжевый свет в структуре видимого спектра.
• Тройные AIGaAs (алюминий, мышьяк, галлий) – имеют желтый и оранжевый свет в структуре видимого спектра.
• Тройные GaAsP (мышьяк, галлий, фосфор) – имеют красный и желто-зеленый свет в структуре видимого спектра.

По типу корпуса светодиодные элементы могут быть:

• DIP — устаревшая модель низкой мощности, их применяют для подсветки световых табло и игрушек.
• «пиранья» или Superflux – аналоги DIP, но с четырьмя контактами. Они применяются для подсветки в автомобилях, меньше нагреваются и лучше крепятся.
• SMD – самый распространенный тип, применяются во множестве источников света.
• COB – это усовершенствованные светодиоды SMD.

Применение

Область применений светодиодов условно можно разделить на две широкие категории:

1. Освещение.
2. С использованием прямого света.

Светодиод в освещении применяется для освещения объекта, пространства или поверхности, вместо того, чтобы быть непосредственно видимым. Это интерьерная подсветка, фонарики, освещение фасадов зданий, освещение в автомобилях, подсветка клавиш мобильных телефонов и дисплеев и так далее. Широкое применение LED-диоды находят в коммуникаторах и сотовых телефонах.

Прямой светодиодный свет применяется для передачи информации, к примеру, в полноцветных видео дисплеях, в которых LED-диоды формируют пиксели дисплея, а также в алфавитно-цифровых табло. Прямой свет также применяется сигнальных устройствах. К примеру, это индикаторы поворота и стоп-сигналы автомобилей, светофоры и знаки.

Будущее светодиодов

Ученые создают светодиоды нового поколения, к примеру, на основе нано-кристаллических тонких пленок из перовскита. Они дешевые, эффективные и долговечные. Исследователи надеются, что такие LED-диоды будут применяться вместо обычных экранов ноутбуков и смартфонов, в том числе в бытовом и уличном освещении.

Создаются и волоконные LED-диоды, которые предназначены для создания носимых дисплеев. Ученые считают, что создаваемый метод производства волоконных светодиодов позволит наладить массовый выпуск и сделать интеграцию носимой электроники в одежду и текстиль совершенно недорогой.

Типичные характеристики

Светодиоды характеризуются следующими параметрами:

• Цветовая характеристика.
• Длина волны.
• Сила тока.
• Напряжение (тип применяемого напряжения).
• Яркость (интенсивность светового потока).

Светодиодная яркость пропорциональна протекающему через него току, то есть чем напряжение будет выше, тем будет больше яркость. Единицей силы света служит люмен на стерадиан, она также измеряется в милликанделах. Бывают яркие (20-50 мкд.), а также сверх яркие (20000 мкд. и более) LED-диоды белого свечения.

Величина падения напряжения – характеристика допустимых значений прямого и обратного включений. Если подача напряжений выше этих значений, то наблюдается электрический пробой.

Сила тока определяет яркость свечения. Сила тока осветительных элементов обычно равняется 20 мА, для индикаторных светодиодов она составляет 20-40 мА.

Цвет излучения светодиода зависит от активных веществ, внесенных в полупроводниковый материал.

Длина волны света определяется разностью энергий при переходе электронов на этапе рекомбинации. Она определяется легирующими примесями и исходным полупроводниковым материалом.

Достоинства и недостатки

Среди достоинств светодиодов можно отметить:

• Малое потребление электроэнергии.
• Долгий срок службы, измеряемый 30-100 тысячами часов.
• Высокая светоотдача. Светодиоды дают 10-250250 люменов светового потока на ватт мощности.
• Нет ядовитых паров ртути.
• Широкое применение.

Недостатки:

• Низкие характеристики у некачественных светодиодов, созданных неизвестными производителями.
• Сравнительно высокая цена качественных светодиодов.
• Необходимость качественных источников питания.

Похожие темы:

Слаботочные — Kingbright — оптико-электронные светодиодные продукты от производителя включая все виды светодиодных ламп, SMT LED, SMD LED,Светодиодные индикаторы и оптоэлектронные компоненты

L-7104LGD	GaP		568 нм	зеленый рассеянный		0,7	2	40	L-7104LID	GaAsP/GaP		625 нм	красный рассеянный		0.7	3	40	L-7104LSRD	GaAlAs		640 нм	красный рассеянный		8	20	40	L-7104LYD	GaAsP/GaP		588 нм	желтый рассеянный		0,7	1,5	40	L-7113LGD	GaP		568 нм	зеленый рассеянный		0,7	2	30	L-7113LID	GaAsP/GaP		625 нм	красный рассеянный		0,7	5	30	L-7113LSRD	GaAlAs		640 нм	красный рассеянный		8	20	30	L-7113LYD	GaAsP/GaP		588 нм	желтый рассеянный		0,7	2	30

Токопроводящие панели. Устройство и применение. Монтаж

Токопроводящие панели – это современные устройства для создания декоративной системы освещения в интерьере. Они выполняют функцию основания для установки отдельных светодиодов в произвольном порядке. При желании расположение миниатюрных лампочек можно менять без пайки, использования специализированных зажимов и проводов.

Как устроены и работают токопроводящие панели

Внешне такие устройства представляют собой лист полиуретана или пенополистирола, используемых для утепления. Его важным отличием является более высокая плотность. Полиуретан выполняет функцию изолятора. Он состоит из 3 слоев, между которыми укладываются листы фольги, являющиеся токопроводящими плоскостями.

Панель приклеивается к потолку или стене, после чего на нее подается напряжение 12В. Плюсовая клемма присоединяется к одной фольге, а минусовая ко второй. При необходимости, применяя специальные соединяющие зажимы, можно объединять вместе сразу несколько панелей. Таким образом, они будут питаться от одного блока на 12В. Токопроводящая фольга имеет небольшое сопротивление, что минимизирует потребление энергии

В панель втыкаются миниатюрные лампочки или светодиоды, каждая из которых обладает мощностью 0,1-1,44 Вт или менее. Электроды светодиодов имеют разную длину. Один из них без изоляции, а второй заизолирован почти полностью, кроме небольшого хвостика на конце. Они прокалывают мягкую поверхность полиуретана. В результате длинный изолированный электрод сначала проходит через одну фольгу, после чего входит во вторую, касаясь к ней хвостиком без изоляции. В это время неизолированный второй электрод контактирует к первым листом фольги. Цепь замыкается, и «лампочка» начинает светиться.

Особенности монтажа

Токопроводящие панели монтируются довольно легко, поэтому сделать установку можно даже самостоятельно не прибегая к услугам профессионального электрика. Установку можно провести путем приклеивания панелей, но обычно применяется монтаж на каркас. Квадратный метр панели весит всего 3 кг, поэтому нет необходимости в очень прочном основании. Для предотвращения короткого замыкания при монтаже на каркас, металлический профиль оклеивается специальным изоляционным материалом.

Чтобы крепить панель к каркасу нельзя использовать обыкновенные шурупы, поскольку они замкнут цепь между двумя слоями фольги. Необходимо сначала просверлить сквозное отверстие в панели, после чего вставить в него пластиковый дюбель. При необходимости панель можно обрезать обыкновенным монтажным ножом, как и листы пенополистирола.

В любом удобном месте на боковую часть панели устанавливаются 2 специализированные клипсы. Каждая из них касается к одному слою фольги. К клипсам прикручиваются провода, идущие от блока питания на 12В. Поверхность панели в дальнейшем окрашивается, штукатурится или отделывается любым другим способом, необходимым для выбранного интерьера. Перед началом следующего этапа монтажа рекомендовано проверять сопротивление на панели с помощью омметра, предупредив тем самым короткое замыкание и выход со строя блока питания.

После готовности поверхности в панель устанавливаются «лампочки». Обычно с их помощью создаются различные узоры. Можно слегка начертить контур, применяя шаблон. В случае ошибки любую «лампочку» можно вытащить и поставить правильно в другое место. Поскольку применяется питания на 12 В, то можно работать даже когда панель находится под напряжением.

Менее проблематичной является технология приклеивания панелей, для чего требуется надежное и ровное основание. В качестве клея могут использоваться жидкие гвозди или другие составы. При отсутствии ровного основания также возможно осуществлять приклеивание к каркасу, сделанному по такому же принципу, как и для монтажа дюбелями. Вырезанные по размеру панели можно клеить торцом к торцу с профилем применяя двухсторонний скотч.

Тонкости формирования рисунка

Токопроводящие панели продаются в различных вариациях мощности от 40 до 250 Вт. Этот показатель очень важный, поскольку влияет на количество светодиодов, которые можно поставить. Мощность стандартного светодиода составляет 0,33 Вт. Таким образом, если панель на 150 Вт, в нее можно вставить 454 точки. Желательно изначально провести все расчеты и убедиться, что устройство выдержит необходимое количество светодиодов, чтобы получить желаемый узор.

В том случае, если со временем существующий рисунок надоест, можно извлечь все точки и нарисовать что-то другое, расставив их по-новому. Конечно, ресурс панели не бесконечный. Каждый раз ставя светодиоды, электроды прокалывают фольгу, поэтому постепенно появляются такие места, где при установке новой точки не произойдет контакт. Поскольку проколы миниатюрные, то достаточно сдвинуться на несколько миллиметров в сторону и проблема будет решена. Если злоупотреблять переустановкой точек, то поверхность износится полностью.

Применяя светодиоды различных цветов можно создавать действительно любые картины. Срок службы светодиодов составляет 20000 часов. Однако фирменные изделия согласно утверждению производителей имеют ресурс до 100 000 часов. Также можно встретить бюджетные варианты, которые выпускаются китайскими брендами. Их применение позволяет разнообразить возможности формирования рисунка, поскольку такие светодиоды могут иметь мощность порядка 0,19 Вт и меньше. Таким образом, в случае их применения можно многократно увеличить количество точек на одной панели.

Также светодиоды отличаются и по температуре свечения. Можно вполне подобрать такие, которые смогут полноценно заменить крупную люстру, тем самым дать возможность отказаться от габаритных приборов. Используя разные по цвету и мощности источники света можно создавать эффект «звездное небо» и т.д.

Преимущества панелей

Токопроводящие панели освещения имеют множество преимуществ над прочими технологиями.

В первую очередь к положительным моментам такого оборудования можно отнести:

• Широкий диапазон возможностей при оформлении узоров.
• Несложный монтаж, который можно сделать самостоятельно.
• Полное отсутствие проводов.
• Красивый внешний вид.
• Возможность изменения узора свечения.
• Высокий уровень безопасности.
• Возможность эксплуатации при температуре от -40 до +40 градусов.
• Устойчивости к контакту с влагой.

Где можно установить

Данные панели могут применяться при обустройстве коммерческих, а также домашних помещений.

• Делать художественные инсталляции.
• Подсвечивать потолок.
• Украшать витрины магазинов.
• Делать фоновую подсветку.
• Использовать в качестве носителя рекламы.

Ни одна другая существующая технология не позволяет создавать сложные узоры из светодиодов с такой легкостью. Именно по этой причине токопроводящие панели пользуются огромным спросом. Выбирая такие устройства можно уделить внимание творческому процессу создания рисунка светодиодами, а не возиться с пайкой проводов.

Похожие темы:

Светодиодная лампа с интересным решением размещения светодиодов.

Давно ищу хорошее решение светодиодной лампы для дома. Очень понравилась идея светодиодных ламп типа FILAMENT, т.е. внешне похожих на лампы накаливания. Выглядят красиво, компакты и вроде как мало греются. Отталкивало лишь полное отсутствие возможности применить свои руки в случае выхода из строя, одном словом, ремонтопригодность никакая.
И вот однажды я совершенно случайно наткнулся на интересную лампу, да и всего то за четыре доллара. Дай думаю возьму для вскрытия, любопытство страшная штука. 😉

Шла посылка почтой Финляндии приблизительно месяц, все как обычно. Получив посылку я не был обрадован упаковкой, завернули в один слой пупырки, тем не менее лампа пришла целая и невредимая. Вскрыл я ее прямо на почте, посему фото упаковки не будет, звиняйте.
Хочу сказать, что при первом взгляде на лампу она мне понравилась. Хоть я и не верю в чудо, но было бы очень здорово, если бы стали изготавливать такие лампы соответствующие заявленным характеристикам и которые бы не грелись или грелись весьма умерено.

Характеристики заявленные продавцом:

Красивая она все-таки эта лампа. Выбрано интересное решение для светодиодов. Используется квадратная стеклянная подложка, по краям которой размещены сами светодиоды по технологии Chip-on-glass (COG) и залиты люминофором. Конструкция корпуса очень порадовала. Во-первых, она открытая, вентилируемая естественным движение воздуха. Во-вторых, корпус можно вскрыть с минимальным разрушением. Таким образом, лампа теоретически должна быть ремонтопригодной.

Лампа с разных ракурсов

Ну а теперь настала пора вскрыть лампу и посмотреть, что там внутри. Первым дело снимаю колпак лампы, который приклеен с основной части лампы. Приклеен хорошо, пришлось помучатся чтобы его снять и не причинить серьезных разрушений самой лампе.

Как вы можете видеть, вот она, светоиспускающая «пластина». Согласитесь, интересное решение. Производитель пластины даже поставил свое клеймо в одном из углов.

Я все никак не могу понять, что помешало взять уже готовые светодиодные нити и расположить их так же, спаяв концы, или как это сделано в лампе ниже?

Производитель же решил использовать свой собственный путь.

Дальнейшая разборка уже вызвала трудности. Нижнюю пластину, которая разделяет свотоизлучаемую область от питающей схемы, отделить не удалось. Я было подумал, что смогу ее поддеть и сколупнуть, ан нет, она тоже оказалась приклеена. Пришлось использовать черный ход, для это надо рассверлить клепки цоколя.

Вуаля, цоколь теперь легко откручивается и мы получаем доступ к питающей схеме.

Откровенно говоря, сперва я думал, что там обычный балласт, ан нет, там что-то поинтереснее.

Подытожить хочу тем, что на самом деле лампа вовсе не 12W и никакими 1100 lm тут и не пахнет. Лампа потребляет 6W при напряжении сети в 230V. При измерении освещенности в полевых условиях было установлено, что лампа светит на 262 lux (измерения проводились на коленке, реально число может быть немного больше, но не значительно), что соответствует примерно лампе накаливания на 50W. Цветовая температура соответствует больше Neutral White и вовсе не соответствует Warm White.

Самое интересное, пульсации, к сожалению, замерить нечем. «Народный» метод использования мобильного телефона показал, что пульсации не значительны, если они там присутствуют.

Update: После 40 минут работы температура на нити (на светоизлучателе) составила 82.7 С, в середине стеклянной площадки 60.9 С.

Update: На днях смастерил спектрометр. Фото спектра обозреваемой лампы и энергосберегайки под катом.

Спектр лампы

Спектр обозреваемой лампы:

Спектр обычной этоергосберегайки на 15Вт:

Спасибо за внимание! С уважением, Андрей.

PS Лампа куплена за свои.