- Светоизлучающие диоды
- 1.2.1. Светоизлучающие диоды, СИД – Электронный учебно-методический комплекс по ТМ и О ЦВОСП
- Светоизлучающие диоды (InGaN СИД)/КОРПОРАЦИЯ НИЧИА
- 3.2. Светоизлучающие диоды. Конструкции, принцип действия, основные электрические и оптические характеристики. 3. Источники оптического излучения для систем передачи. Волоконно-оптические системы передачи
- Код ТН ВЭД 8541401006. Светоизлучающие диоды (LED), инфракрасного спектра излучения (длины волн излучения более 760 нм), кроме лазерных диодов. Товарная номенклатура внешнеэкономической деятельности ЕАЭС
- Светодиоды и их применение / Освещение / Элек.ру
- Устройство светодиода принцип работы светодиода преимущества
- Светодиод: устройство, принцип работы, преимущества
- 1. Что такое светодиод?
- 2. Из чего состоит светодиод?
- 3. Как работает светодиод?
- 4. Означает ли это, что чем больший ток проходит через светодиод, тем он светит ярче?
- 5. Чем хорош светодиод?
- 6. Чем плох светодиод?
- 7. Когда светодиоды начали применяться для освещения?
- 8. От чего зависит цвет светодиода?
- 9. Какие трудности пришлось преодолеть ученым, чтобы изготовить голубой светодиод?
- 10. Что такое квантовый выход светодиода?
- 11. Как получить белый свет с использованием светодиодов?
- 12. Какой из трех способов лучше?
- 13. Каковы электрические и оптические характеристики светодиодов?
- 14. Как реагирует светодиод на повышение температуры?
- 15. Почему нужно стабилизировать ток через светодиод?
- 16. Для чего светодиоду требуется конвертор?
- 17. Можно ли регулировать яркость светодиода?
- 18. Чем определяется срок службы светодиода?
- 19. «Портится» ли цвет светодиода с течением времени?
- 20. Не вреден ли светодиод для человеческого глаза?
- 21. Когда и как сверхъяркие светодиоды появились в России?
- 22. Какие на сегодняшний день существуют технологии изготовления светодиодов и светодиодных модулей?
- 23. Кто в мире сегодня производит светодиоды?
- 24. Каковы основные производители светодиодных модулей и сборок и представленные ими модельные ряды?
- 25. Где сегодня целесообразно применять светодиоды?
- 26. Возможности и применение
- 27. Преимущества
- Как работают светодиоды
- Как работает светодиод »Электроника
- Что такое светодиоды?
- Что такое светодиод? | LEDs Magazine
- Светоизлучающий диод: основы, типы и Характеристики
- LED | электроника | Britannica
- Светоизлучающий диод (LED) – в последнюю минуту инженеры
Светоизлучающие диоды
Добавлено 13 июня 2017 в 17:30
Сохранить или поделиться
Диоды, как и все полупроводниковые приборы, управляются принципами, описанными в квантовой физике. Одним из этих принципов является излучение лучистой энергии определенной частоты всякий раз, когда электроны падают с более высокого энергетического уровня на более низкий энергетический уровень. Это тот же принцип работы, что и в неоновой лампе, характерно розово-оранжевое свечение ионизированного неона из-за спецефических энергетических переходов его электронов при протекании электрического тока. Уникальный цвет свечения неоновой лампы связан с тем, что внутри трубки находится неоновый газ, а не с величиной тока, протекающего через трубку, и не с напряжением, приложенным к двум электродам. Неоновый газ светится розовато-оранжевым цветом в широком диапазоне ионизирующих напряжений и токов. Каждый химический элемент обладает своим собственным характерным излучением лучистой энергии, когда его электроны «прыгают» между различными, квантованными энергетическими уровнями. Газ водорода, например, при ионизации светится красным цветом, а пары ртути светятся синим. Именно это делает возможной спектрографическую идентификацию элементов.
Электроны, протекающие через PN переход, испытывают аналогичные переходы энергетических уровней и также излучают лучистую энергию. Частота этой лучистой энергии определяется кристаллической структурой полупроводникового материала и содержащимися в нем элементами. Некоторые полупроводниковые переходы, состоящие из специальных химических соединений, при изменении электронами энергетических уровней излучают лучистую энергию в спектре видимого света. Проще говоря, эти переходы светятся при подаче прямого смещения. Диод, специально разработанный для свечения, как лампа, называется светоизлучающим диодом, или светодиодом, или LED.
Кремниевые диоды с поданным прямым смещением выделяют тепло в виде электронов и дырок из областей N-типа и P-типа, соответственно, рекомбинирующих в переходе. В светодиоде с поданным прямым смещением рекомбинация электронов и дырок в активной области (рисунок (c) ниже) производит фотоны. Этот процесс известен как электролюминисценция. Чтобы выдать фотоны, потенциальный барьер, через который падают электроны, должен быть выше, чем у кремниевого диода. Прямое падение напряжения на диоде может варьироваться до нескольких вольт для светодиодов некоторых цветов.
Светодиоды, изготовленные из соединения элементов галлия, мышьяка и фосфора (называемого арсенид-фосфид галлия), светятся ярко красным цветом и являются самыми распространенными производимыми светодиодами. Изменяя химический состав PN перехода, можно получить различные цвета. Ранние поколения светодиодов были красного, зеленого, желтого, оранжевого и инфракрасного цвета; последующие поколения включают в себя синий и ультрафиолетовый цвета, причем фиолетовый цвет был последним добавленным цветом. Другие цвета могут быть получены путем объединения двух и более светодиодов основных цветов (красный, зеленый и синий) в один корпус, используя одну общую оптическую линзу. Это позволило создавать многоцветные светодиоды, такие как трехцветные светодиоды (коммерчески доступные в 1980-х годах), использующие красный и зеленый цвета (которые могут вместе давать желтый), а затем RGB светодиоды (красный, зеленый и синий), которые покрывают весь спектр цветов.
Условным обозначением светодиода является обозначение обычного диода внутри круга с двумя маленькими стрелками, направленными от него (указывают на испускание света), показано на рисунке (a) ниже.
Светодиод (LED): (a) Условное графическое обозначение. (b) Срез и короткий вывод прибора соответствуют катоду, а также внутреннему расположению катода. (c) Светодиод в разрезе.Это обозначение наличия двух маленьких стрелок, направленных от устройства, является общим для условных графических обозначений всех светоизлучающих полупроводниковых устройств. И наоборот, если устройство активируется светом (что означает, что входящий свет стимулирует его), то условное обозначение будет иметь две маленькие стрелки, направленные на него. Светодиоды могут быть чувствительны к свету. При воздействии света они генерируют небольшое напряжение, подобно солнечному элементу в небольшом масштабе. Это свойство может быть эффективно применено в различных светочувствительных схемах.
Поскольку светодиоды изготавливаются из различных химических веществ, в отличие от кремниевых диодов, их прямые падения напряжения могут быть разными. Как правило, светодиоды имеют гораздо большее падение прямого напряжения, чем у выпрямительных диодов, от примерно 1,6 вольта до более 3 вольт, в зависимости от цвета. Типовой рабочий ток для светодиода стандартного размера составляет примерно 20 мА. При работе светодиода от источника постоянного напряжения, превышающего прямое напряжение светодиода, необходимо включить последовательно с светодиодом «понижающий» (токоограничивающий) резистор, чтобы помешать полному напряжению источника вывести светодиод из строя. Рассмотрим пример схемы на рисунке (a) ниже с использованием источника 6 В.
При падении напряжения на светодиоде 1,6 вольта, на резисторе упадет 4,4 вольта. Определить номинал резистора для тока светодиода 20 мА очень просто, необходимо взять падение напряжения (4,4 вольта) и разделить его на ток в цепи (20 мА) в соответствии с законом Ома (R=U/I). Это дает нам значение 220 Ом. Вычисляя рассеиваемую резистором мощность, мы берем падение напряжения на нем и умножаем его на ток (P=IU), и в итоге получаем 88 мВт, что соответствуют резистору мощностью 0,125 Вт. Для более высоких напряжений аккумулятора потребуются более высокоомные токоограничивающие резисторы, и, возможно, с большей номинальной мощностью. Рассмотрим пример на рисунке (b) выше для источника питания 24 вольта.
Здесь понижающий резистор должен быть увеличен до 1,12 кОм, чтобы на нем падало 22,4 вольта при токе 20 мА, чтобы светодиод по-прежнему получал только 1,6 вольта. Это также приводит к большей рассеиваемой на резисторе мощности: 448 мВт, мощность почти полватта! Очевидно, что резистор, рассчитанный на рассеивание мощности 0,125 ватта или даже 0,25 ватт, если будет здесь использоваться, то будет перегреваться.
Номиналы токоограничивающих резисторов не обязательно должны точно соответствовать расчетам светодиодных цепей. Предположим, что мы должны использовать резистор номиналом 1 кОм, вместо 1,12 кОм, в схеме, показанной выше. Результатом будет немного большие ток в цепи и падение напряжения на светодиоде, что приведет к более яркому свету от светодиода и небольшому сокращению его срока службы. Понижающий резистор со слишком большим сопротивлением (скажем, 1,5 кОм, вместо 1,12 кОм) приведет к меньшему току в цепи, к меньшему напряжению на светодиоде и к более тусклому свету. Светодиоды довольно терпимы к изменению приложенной мощности, поэтому вам не нужно стремиться к идеально точному подбору номинала токоограничивающего резистора.
Иногда требуется использовать несколько светодиодов, скажем, для подсветки. Если светодиоды работают параллельно, каждый из них должен иметь свой токоограничивающий резистор, как показано на рисунке (a) ниже, чтобы обеспечить более равномерное распределение токов. Тем не менее, более эффективно использовать светодиоды, работающие последовательно (рисунок (b) ниже) с одним понижающим резистором. Поскольку количество светодиодов в последовательной цепи увеличивается, номинал резистора должен быть уменьшен для поддержания тока на определенном значении. Количество светодиодов в последовательной цепи не может превышать возможности источника питания. Можно использовать несколько последовательных цепей, как показано на рисунке (c) ниже.
Несмотря на выравнивание токов в нескольких светодиодах, яркость устройств может не совпадать из-за различий между отдельными компонентами. Для критически важных применений компоненты могут подобраны для совпадения яркостей.
Несколько светодиодов: (a) параллельно, (b) последовательно, (c) последовательно-параллельноКроме того, из-за своего уникального химического состава светодиоды имеют гораздо более низкое значение максимального обратного напряжения (PIV), чем обычные выпрямительные диоды. Типовой светодиод может быть рассчитан только на 5 вольт в режиме обратного смещения. Поэтому при использовании переменного тока для питания светодиода, подключите параллельно, но в противоположном направлении светодиоду защитный выпрямительный диод, чтобы предотвратить обратный пробой во время отрицательных полупериодов (рисунок ниже).
Управление светодиодом с помощью переменного напряжения«Антипараллельный» диод на рисунке выше может быть заменен «антипараллельным» светодиодом. Полученная пара антипараллельных светодиодов будет загораться в чередующихся полупериодах синусоиды переменного напряжения. Эта схема будет потреблять 20 мА, разделяя их поровну между светодиодами в чередующихся полупериодах переменного напряжения. Благодаря совместному использованию каждый светодиод получает только 10 мА. То же самое можно сказать об антипараллельном включении светодиода с выпрямительным диодом. Светодиод получает только 10 мА. Если для светодиода (-ов) требуется 20 мА, то номинал резистора может быть уменьшен в два раза.
Прямое падение напряжения светодиода обратно пропорционально длине волны (λ). Поскольку длина волны уменьшается от инфракрасного света до видимых цветов и далее до ультрафиолетового света, VF в это же время увеличивается. Хотя эта тенденция наиболее очевидна из спецификаций на различные устройства от одного производителя, диапазон напряжений для конкретного цвета от разных производителей может варьироваться. Этот диапазон напряжений показан в таблице ниже.
Светодиод | λ, нм (= 10-9 м) | VF (от) | VF (до) |
---|---|---|---|
инфракрасный | 940 | 1,2 | 1,7 |
красный | 660 | 1,5 | 2,4 |
оранжевый | 602–620 | 2,1 | 2,2 |
желтый, зеленый | 560–595 | 1,7 | 2,8 |
белый, синий, фиолетовый | – | 3 | 4 |
ультрафиолетовый | 370 | 4,2 | 4,8 |
Как осветительные устройства, светодиоды превосходят лампы накаливания во многих отношениях. В первую очередь, это эффективность: светодиоды выдают гораздо больше мощности света на ватт подводимой электрической мощности, чем лампа накаливания. Это является существенным преимуществом, если рассматриваемая схема работает от аккумулятора, а эффективность соответствует большему сроку службы аккумулятора. Во-вторых, тот факт, что светодиоды намного надежнее, имеют гораздо больший срок службы, чем лампы накаливания. Это связано с тем, что светодиоды являются «холодными» устройствами: они работают при гораздо более низких температурах, чем лампа накаливания со светящейся от накала металлической нитью накаливания, чувствительной к разрыву от механического и температурного шока. В-третьих, высокая скорость, с которой светодиоды могут включаться и выключаться. Это преимущество также связано с «холодной» работой светодиодов: им не приходится преодолевать тепловую инерцию при переходе от режима «выключен» к режиму «включен» и наоборот. По этой причине светодиоды используются для передачи цифровой (вкл/выкл) информации в виде импульсов света, проводимых в пустом пространстве или через волоконно-оптический кабель, с очень высокими скоростями (миллионы импульсов в секунду).
Светодиоды превосходны в монохроматическом освещении, например, светофоры и автомобильные задние фонари. Лампы накаливания в этом случае ужасны, так как они требую фильтрации цвета, что снижает эффективность. Светодиодам такая фильтрация не требуется.
Тип осветительного устройства | Эффективность, люмен/ватт | Срок службы, час | Примечания |
---|---|---|---|
Белый светодиод | 35 – 300 | 100 000 | |
Лампа накаливания | 12 | 1000 | |
Галогеновая лампа | 15 – 17 | 2000 | |
Люминисцентная лампа | 50 – 100 | 10 000 | |
Натриевая газоразрядная лампа | 70 – 200 | 20 000 | наружное освещение |
Ртутная газоразрядная лампа | 13 – 48 | 18 000 | наружное освещение |
Белый светодиод – это синий светодиод, возбуждающий люминофор, который излучает желтый свет. Синий плюс желтый дают примерно белый свет. Характер люминофора определяет характеристики света. Красный люминофор может быть добавлен для улучшения качества смеси желтый плюс синий, но при этом уменьшится эффективность. В приведенной выше таблице сравниваются светодиоды с обычными лампами. Эффективность измеряется в люменах выходного светового потока на ватт входной мощности.
Светодиоды в целом были основным предметом исследований и разработок 1960-х годов. Поэтому нецелесообразно охватывать в этой статье все структуры, химические вещества и характеристики, которые были созданы за эти десятилетия. Ранние устройства были относительно тусклыми и потребляли небольшие токи. Эффективность была улучшена в более поздних поколениях до такой степени, что стало опасно напрямуя смотреть на светящийся светодиод. Это может привести к повреждению глаз. И светодиоды требовали незначительного увеличения падения напряжения (VF) и тока. Современные высокоинтенсивные устройства достигли 180 люмен, используя 0,7 А (82 люмен/ватт), а модели с более высокой интенсивностью могут использовать даже более высокие токи с соответствующим увеличением яркости. Предметом текущих исследований являются другие разработки, такие как квантовые точки.
Оригинал статьи:
Теги
LED / СветодиодДиодДлина волныОбучениеПрямое напряжениеЭлектроникаСохранить или поделиться
1.2.1. Светоизлучающие диоды, СИД – Электронный учебно-методический комплекс по ТМ и О ЦВОСП
СИД представляет собой полупроводниковый прибор с р-n переходом, протекание электрического тока через который вызывает интенсивное спонтанное излучение. Известно много конструкций СИД, однако наибольшее применение получили поверхностные и торцевые СИД.
Спонтанное излучение обладает низкой монохроматичностью. Его называют некогерентным светом.(СИД)
Когерентными источниками называют такие источники, которые излучают синфазные оптические волны. В основе их работы лежит спонтанное излучение полупроводника охваченное объемным резонатором (например, Фабри-Перо).
В поверхностном светодиоде волоконный световод присоединяется к поверхности излучения через специальную выемку в полупроводниковой подложке. Такой способ стыковки СИД и стекловолокна обусловлен необходимостью ввода максимальной мощности спонтанного излучения в световод. (Рис.1.2)
Рисунок 1.2. Конструкция поверхностного светодиода
В конструкции торцевого светодиода предусмотрен вывод оптической мощности излучения через один из торцов. При этом другой торец выполнен в виде зеркала, которое отражает фотоны в активный слой. В приборе применяются дополнительные слои полупроводникового материала GaAlAs, который отличается от активного слоя показателем преломления и шириной запрещенной зоны. Это создает в активном слое оптический волновод, способствующий концентрации фотонов и усилению бегущей волны в инверсной насыщенной зарядами среде. Светоизлучающий торец СИД согласуется с волоконным световодом линзовой системой (Рис. 3).
Работа светодиодов основана на случайной рекомбинационной люминесценции избыточных носителей заряда, инжектируемых в активную область светодиода.
В результате инжекции не основных носителей заряда и дрейфа основных в активном слое происходит накопление и рекомбинация этих зарядов с выделением квантов энергии. При этом фотоны (кванты энергии),
Рисунок 1.3. Конструкция торцевого светодиода
(Ga- галлий, As – мышьяк, Al – алюминий)
случайно образовавшиеся, могут двигаться в любом случайном направлении, отражаться от границ различных слоев полупроводников, поглощаться кристаллами и излучаться с поверхности или из торца. Величина излучаемой мощности СИД примерно линейно зависит от величины тока инжекции.
Данная мощность больше у торцевых СИД, их еще называют СЛД – супер люминесцентными диодами.
Основные характеристики светодиодов
1. Ватт-амперная характеристика светодиодов – это зависимость излучаемой мощности от тока, протекающего через прибор (рис.4)
Рисунок 1.4 Ватт-амперные характеристики светодиодов
Характеристики имеют линейный и нелинейные участки. Нелинейность обусловлена предельными возможностями по спонтанной рекомбинации электронов и дырок и их ограниченным числом, зависящим от насыщенности примесными компонентами и общего объема активного слоя.
Ватт-амперная характеристика зависит от температуры кристалла. С ее повышением мощность излучения может значительно снижаться .
2. Спектральная характеристика светодиодов показывает зависимость излучаемой мощности от длины волны излучения (Рис. 5).
Рисунок 1. 5. Спектральные характеристики светодиодов
По спектральной характеристике можно определить ширину спектра излучения на уровне половинной от максимальной мощности излучения. Ширина спектра СЛД Δλ1 (10 ÷ 30 нм), для поверхностного СИД Δλ2 (30 ÷ 60 нм).
Более узкий спектр излучения СЛД объясняется волноводным эффектом и некоторой согласованностью (когерентностью) излучательных рекомбинаций.
3. Диаграмма направленности излучения светодиода показывает распределение энергии излучения в пространстве.
Рисунок 1.6. Угловая расходимость излучения
Угловая расходимость излучения оценивается на уровне уменьшения мощности в пространстве в два раза (Рmax/2), что отмечено на рисунке точками на пересечении лучей и кривых распределения мощности (рис.6). Для поверхностного СИД величины φx =φy и могут составлять 110°…180°. Для СЛД величины φx и φy не равны и примерно составляют: φx = 60 °,
φy = 30.
4. Внешняя квантовая эффективность светодиода показывает долю выводимой мощности излучения от полученной в результате спонтанной рекомбинации
Эта доля не превышает 2 – 10 %, что обусловлено большими потерями из-за рассеяния мощности внутри прибора и отражением фотонов на границе “полупроводник – воздух” и “полупроводник – световод” из-за различных показателей преломления полупроводника (n = 3,5) и среды (n = 1,5).
5. Срок службы и надежность. Всем светодиодам присуще деградация параметров – постепенное уменьшение мощности при длительной эксплуатации. Срок службы зависит от материала и конструкции СИД, от температуры. При увеличении температуры на 100 – 200 срок службы снижается вдвое. Для использования в системах связи срок службы СИД должен составлять 105, для наземных и для подводных линий связи – 106.
Полупроводниковые СИД являются приборами с низким входным сопротивлением и потребляют большой ток, поэтому для их возбуждения следует использовать низкоомные транзисторы, обеспечивающие большой ток и требуемую линейность (Рис.7).
Рисунок 1. 7. Схема включения СИД в коллекторную схему транзистора
На схеме СИД включается в коллекторную цепь транзистора. Модулирующий сигнал поступает на базу транзистора и управляет коллектором и током, являющийся одновременно током инжекции СИД. С помощью резисторов R1 и R2 можно подобрать необходимое значение начального тока, пробегающего через СИД.
Реальные схемы модуляции, как правило, включают цепь стабилизации режима работы и цепь обратной связи, которая уменьшает нелинейность ватт-амперной характеристики СИД.
Итак, сравнительно простая конструкция, высокая надежность, слабая зависимость от температуры делают СИД особенно подходящими для ВОСП на короткие расстояния при относительно невысокой информационной пропускной способности.
Светоизлучающие диоды (InGaN СИД)/КОРПОРАЦИЯ НИЧИА
Нажимайте на иконки, чтобы увидеть список моделей СИД, подходящих для каждого применения.
Широкий выбор для целей общего освещения, с точным цветовоспроизведением, высокой эффективностью и продолжительным сроком службы.
Светодиоды различных оттенков, размеров и направленности, для бесконечно разнообразных видов специальной подсветки.
Светодиоды для полноцветных дисплеев, различного назначения и для использования в различных условиях окружающей среды.
Очень надёжные светодиоды для применения там, где действуют строгие стандарты безопасности. *Соответствует IATF16949
Светодиоды, идельно подходящие для подсветки ЖКД.
УФ-светодиод с самой высокой мощностью, большим временем работы и высокой эффективностью.
Директива RoHS и бессвинцовая пайка
Все СИД Ничиа соответствуют требованиям Директивы RoHS и пригодны к бессвинцовой пайке
3.2. Светоизлучающие диоды. Конструкции, принцип действия, основные электрические и оптические характеристики. 3. Источники оптического излучения для систем передачи. Волоконно-оптические системы передачи
3.2.1. Конструкции светодиодов для оптической связи
3.2.2. Принцип действия светодиодов
3.2.3. Основные характеристики светодиодов
Светодиод (СИД) представляет собой полупроводниковый прибор с p – n переходом, протекание электрического тока через который вызывает интенсивное спонтанное излучение. Известно много конструкций СИД, однако наибольшее применение получили поверхностные и торцевые СИД.
3.2.1. Конструкции светодиодов для оптической связи
В технике оптической связи наибольшее применение получили две конструкции СИД: поверхностный (рисунок 3.1) и торцевой (рисунок 3.2).
Рисунок 3.1. Конструкция поверхностного светодиода
В поверхностном светодиоде волоконный световод присоединяется к поверхности излучения через специальную выемку в полупроводниковой подложке. Такой способ стыковки СИД и стекловолокна обусловлен необходимостью ввода максимальной мощности спонтанного излучения в световод.
Рисунок 3.2. Конструкция торцевого светодиода
В конструкции торцевого светодиода предусмотрен вывод оптической мощности излучения через один из торцов. При этом другой торец выполнен в виде зеркала, которое отражает фотоны в активный слой. В приборе применяются дополнительные слои полупроводникового материала GaAlAs, который отличается от активного слоя показателем преломления и шириной запрещенной зоны. Это создает в активном слое оптический волновод, способствующий концентрации фотонов и усилению бегущей волны в инверсной насыщенной зарядами среде. Светоизлучающий торец СИД согласуется с волоконным световодом линзовой системой.
3.2.2. Принцип действия светодиодов
Работа светодиодов основана на случайной рекомбинационной люминесценции избыточных носителей заряда, инжектируемых в активную область светодиода. В результате инжекции не основных носителей заряда и дрейфа основных в активном слое происходит накопление и рекомбинация этих зарядов с выделением квантов энергии, которые примерно соответствуют ширине запрещенной зоны активного слоя:
(3.2)
При этом фотоны (кванты энергии), случайно образовавшиеся, могут двигаться в любом случайном направлении, отражаться от границ различных слоев полупроводников, поглощаться кристаллами и излучаться с поверхности (рисунок 3.1) или из торца (рисунок 3.2). Величина излучаемой мощности СИД примерно линейно зависит от величины тока инжекции. Благодаря некоторым вышеперечисленным особенностям конструкции торцевого СИД в нем может происходить образование небольшого числа стимулированных, вынужденных и, естественно, когерентных фотонов. Это способствует увеличению общей мощности излучаемой энергии с концентрацией в пространстве. По этой причине торцевые СИД называются слабокогерентными источниками света или суперлюминесцентными диодами (СЛД).
3.2.3. Основные характеристики светодиодов
Ваттамперная характеристика светодиодов показывает зависимость излучаемой мощности от тока, протекающего через прибор (рисунок 3.3).
Рисунок 3.3. Ваттамперные характеристики светодиодов
Характеристики имеют линейный и нелинейные участки. Нелинейность обусловлена предельными возможностями по спонтанной рекомбинации электронов и дырок и их ограниченным числом, зависящим от насыщенности примесными компонентами и общего объема активного слоя.
Ваттамперная характеристика зависит от температуры кристалла. С ее повышением мощность излучения может значительно снижаться [8].
Спектральная характеристика светодиодов показывает зависимость излучаемой мощности от длины волны излучения (рисунок 3.4)
Рисунок 3.4. Спектральные характеристики светодиодов
По спектральной характеристике можно определить ширину спектра излучения на уровне половинной от максимальной мощности излучения. Ширина спектра СЛД Dl1 (около 10 ¸ 30 нм), для поверхностного СИД Dl2 (около 30 ¸ 60 нм).
Более узкий спектр излучения СЛД объясняется волноводным эффектом и некоторой согласованностью (когерентностью) излучательных рекомбинаций. При этом характер излучения остается спонтанным и ширина спектра определяется разбросом энергетических состояний рекомбинирующих электронов и дырок.
Диаграмма направленности излучения светодиода показывает распределение энергии излучения в пространстве (рисунок 3.5)
Рисунок 3.5. Угловая расходимость излучения
Угловая расходимость излучения оценивается на уровне уменьшения мощности в пространстве в два раза (РМАКС /2), что отмечено на рисунке точками на пересечении лучей и кривых распределения мощности. Для поверхностного СИД величины j x» j y и могут составлять 110° …180°. Для СЛД величины j x и j y не равны и примерно составляют: j x» 60 °, j y» 30
Внешняя квантовая эффективность светодиода показывает долю выводимой мощности излучения от полученной в результате спонтанной рекомбинации
(3.3)
В [3, 8, 13] показано, что эта доля не превышает 2 – 10 %, что обусловлено большими потерями из-за рассеяния мощности внутри прибора и отражением фотонов на границе “полупроводник – воздух” и “полупроводник – световод” из-за различных показателей преломления полупроводника (n = 3,5) и среды (n = 1,5).
Код ТН ВЭД 8541401006. Светоизлучающие диоды (LED), инфракрасного спектра излучения (длины волн излучения более 760 нм), кроме лазерных диодов. Товарная номенклатура внешнеэкономической деятельности ЕАЭС
Технические средства для инвалидов
Двигатели и генераторы электрические.. (НДС):
Постановление 1042 от 30.09.2015 Правительства РФ
0% – 27. Специальные средства для обмена информацией,получения и передачи информации для инвалидов с нарушениями зрения, слуха и голосообразования, которые могут быть использованы только для профилактики инвалидности или реабилитации инвалидов
0% – 36. Специальные технические средства для обучения инвалидов и осуществления ими трудовой деятельности, которые могут быть использованы только для профилактики инвалидности или реабилитации инвалидов
0% – 38. Технические средства для развития у инвалидов навыков ориентации в пространстве, самостоятельного передвижения, повседневного самообслуживания, для тренировки речи, письма и общения, умения различать и сравнивать предметы, средства для обучения программированию, информатике, правилам личной безопасности
20% – Прочие
Комплектующие для гражданских воздушных судов
Реакторы ядерные; котлы.. (НДС-авиазапчасти):
Федеральный закон 117-ФЗ от 05.08.2000 ГД РФ
0% – авиационные двигатели, запасные части и комплектующие изделия, предназначенные для строительства, ремонта и (или) модернизации на территории Российской Федерации гражданских воздушных судов, при условии представления в таможенный орган документа, подтверждающего целевое назначение ввозимого товара
20% – Прочие
Светодиоды и их применение / Освещение / Элек.ру
Светодиод это полупроводниковый прибор, который имеет электронно-дырочный переход, способный создавать оптическое излучение при пропускании через него в прямом направлении электрического тока. На английском светодиод (светоизлучающий диод) звучит как Light Emitting Diode, а в аббревиатуре, как LED.
Мощные и современные светодиоды, так не похожие на свои прототипы, сейчас активно применяются в большом количестве сфер, начиная с освещения жилых помещений, производственных, административных и заканчивая архитектурной, даже уличной подсветкой.
В течение последних лет область применения светоизлучающих диодов прилично расширилась. Если ранее светодиоды относились к индикаторам электронных приборов, то сегодня, где только их не увидишь, на дорожных знаках, на светофорах, на приборной панели машин и т.д. Отметим тот факт, что автопромышленность без светодиодов уже не обходится, их очень активно внедряют в сигнальные огни торможения, а также габаритные фонари.
Широкую область применения источников света LED можно легко объяснить технологическими достижениями в разработке мощных диодов, благодаря чему с каждым годом такое освещение все увереннее вытесняет уже привычные, но порядком устаревшие источники освещения, такие как, лампы накаливания (ЛОН), галогенные лампы накаливания, компактные люминесцентные лампы (ЛЛ) и т.д. Перечислять весь фронт, их применения можно бесконечно:
- освещение на промышленных/производственных предприятиях, рабочих мест,
- освещение подъездов и коридоров домов,
- освещение в магазинах прилавков и витрин.
Светодиоды, которые используют для подсветок, тоже являются мощными LED, по многим параметрам, а именно, световой поток, надежность в эксплуатации, отличный индекс цветопередачи, световая отдача и поэтому они совершенно не уступают и порой превосходят привычные для нас источники освещения, в осветительных приборах.
Если сравнивать с другими лампочками, то главные преимущества LED — это срок службы с номиналом до 50000 часов, а также направленное излучение. Светоизлучающие диоды не содержат ртути, как газоразрядные или люминесцентные лампочки, что значительно облегчает, уже наболевшую проблему с утилизацией.
Время выхода светового потока на максимальное значение, сразу после включения лампы, это всего доля секунды, благодаря чему вы можете подбирать освещение любого тона, начиная с желтого теплого и заканчивая белым дневным или голубым холодным.
Использование светодиодов, как источников света, помогает значительно уменьшить расходы на электроэнергию. Именно поэтому так важно и нужно рассматривать два самых основных фактора, где преимущества применения LED наиболее существенно. Такими факторами являются, отсутствие обслуживания приборов и экономия на электрической энергии.
Используя светодиодные источники вместо устаревших лампочек накаливания, экономия на электроэнергию составит 95%, а вместо люминесцентных около 50%.
В России периодически предпринимаются попытки полностью перевести весь город или определенные районы на полупроводниковое освещение. И это имеет большой смысл, поскольку светодиодные лампы сегодня это самые мощные и экономичные источники освещения.
Устройство светодиода принцип работы светодиода преимущества
Светодиод: устройство, принцип работы, преимущества
Интерес к светодиодам растет быстрее, чем территория их применения в светотехнике. Производители и потребители, продавцы и покупатели – все как будто замерли на старте, боясь отстать от других. И только дизайнеры уже вовсю пользуются уникальными возможностями светодиодов. Давно прошло то время, когда светодиоды были интересны одним лишь ученым. Теперь светодиодная тема у всех на слуху. Говорят, за ними будущее.
Светодиоды излучают не только уникальный по своим характеристикам свет, но и завидный оптимизм по поводу своего места на рынке светотехники. Особенно активно экспансия LED разворачивается в области интерьерного оформления и светодизайна.
Настоящая публикация не случайно построена в форме вопросов и ответов (FAQ, frequently asked questions – часто задаваемые вопросы). Именно так заинтересованный человек подходит к новому для него объекту, с тем чтобы «пощупать» его с разных сторон и уж потом решить: нужен – не нужен. А мне задавать правильные вопросы и находить на них верные ответы помогал профессор МГУ Александр Эммануилович Юнович, один из ведущих российских специалистов по светодиодам.
1. Что такое светодиод?
Светодиод – это полупроводниковый прибор, преобразующий электрический ток непосредственно в световое излучение. Кстати, по-английски светодиод называется light emitting diode, или LED.
2. Из чего состоит светодиод?
Из полупроводникового кристалла на подложке, корпуса с контактными выводами и оптической системы. Современные светодиоды мало похожи на первые корпусные светодиоды, применявшиеся для индикации.
Рис. 1. Конструкция светодиода Luxeon фирмы Lumileds lighting.
3. Как работает светодиод?
Свечение возникает при рекомбинации электронов и дырок в области p-n-перехода. Значит, прежде всего нужен p-n-переход, то есть контакт двух полупроводников с разными типами проводимости. Для этого приконтактные слои полупроводникового кристалла легируют разными примесями: по одну сторону акцепторными, по другую – донорскими.
Но не всякий p-n-переход излучает свет. Почему? Во-первых, ширина запрещенной зоны в активной области светодиода должна быть близка к энергии квантов света видимого диапазона. Во-вторых, вероятность излучения при рекомбинации электронно-дырочных пар должна быть высокой, для чего полупроводниковый кристалл должен содержать мало дефектов, из-за которых рекомбинация происходит без излучения. Эти условия в той или иной степени противоречат друг другу.
Реально, чтобы соблюсти оба условия, одного р-п-перехода в кристалле оказывается недостаточно, и приходится изготавливать многослойные полупроводниковые структуры, так называемые гетероструктуры, за изучение которых российский физик академик Жорес Алферов получил Нобелевскую премию 2000 года.
4. Означает ли это, что чем больший ток проходит через светодиод, тем он светит ярче?
Разумеется, да. Ведь 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.
5. Чем хорош светодиод?
В светодиоде, в отличие от лампы накаливания или люминесцентной лампы, электрический ток преобразуется непосредственно в световое излучение, и, теоретически, это можно сделать почти без потерь. Действительно, светодиод (при должном теплоотводе) мало нагревается, что делает его незаменимым для некоторых приложений. Далее, светодиод излучает в узкой части спектра, его цвет чист, что особенно ценят дизайнеры, а УФ- и ИК-излучения, как правило, отсутствуют. Светодиод механически прочен и исключительно надежен, его срок службы достигает 100 тысяч часов, что в 100 раз больше, чем у лампочки накаливания, и в 10 раз больше, чем у люминесцентной лампы. Наконец, светодиод – низковольтный электроприбор, а стало быть, безопасный.
6. Чем плох светодиод?
Только одним – ценой. Пока что цена одного люмена, излученного светодиодом, в 100 раз выше, чем галогенной лампой. Но специалисты утверждают, что в ближайшие 2-3 года этот показатель будет снижен в 10 раз.
7. Когда светодиоды начали применяться для освещения?
Первоначально светодиоды применялись исключительно для индикации. Чтобы сделать их пригодными для освещения, необходимо было прежде всего научиться изготавливать белые светодиоды, а также увеличить их яркость, а точнее светоотдачу, то есть отношение светового потока к потребляемой энергии.
В 60-х и 70-х годах были созданы светодиоды на основе фосфида и арсенида галлия, излучающие в желто-зеленой, желтой и красной областях спектра. 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. Одно было плохо – не существовало светодиодов синего, сине-зеленого и белого цвета.
К концу 80-х годов в СССР выпускалось более 100 млн светодиодов в год, а мировое производство составляло несколько десятков миллиардов.
8. От чего зависит цвет светодиода?
Исключительно от ширины запрещенной зоны, в которой рекомбинируют электроны и дырки, то есть от материала полупроводника, и от легирующих примесей. Чем «синее» светодиод, тем выше энергия квантов, а значит, тем больше должна быть ширина запрещенной зоны.
9. Какие трудности пришлось преодолеть ученым, чтобы изготовить голубой светодиод?
Голубые светодиоды можно сделать на основе полупроводников с большой шириной запрещенной зоны – карбида кремния, соединений элементов II и IV группы или нитридов элементов III группы. (Помните таблицу Менделеева?)
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 служили недолго. Оставалась надежда на нитриды.
Нитрид галлия GaN плавится при 2000 °С, при этом равновесное давление паров азота составляет 40 атмосфер; ясно, что растить такие кристаллы непросто. Аналогичные соединения – нитрилы алюминия и индия – тоже полупроводники. Их соединения образуют тройные твердые растворы с шириной запрещенной зоны, зависящей от состава, который можно подобрать так, чтобы генерировать свет нужной длины волны, в том числе и синий. Но… проблему не удавалось решить до конца 80-х годов.
Первым, еще в 70-х, голубой светодиод на основе пленок нитрида галлия на сапфировой подложке удалось получить профессору Жаку Панкову (Якову Исаевичу Панчечникову) из фирмы IBM (США). Квантовый выход был достаточен для практических применений, однако руководство сказало: «Ну, это ж на сапфире – дорого и не так уж ярко, к тому же p-n-переход нехорош…» – и работы Панкова не поддержали.
Между тем группа Сапарина и Чукичева из МГУ обнаружила, что под действием электронного пучка GaN с примесью цинка становится ярким люминофором, и даже запатентовала устройство оптической памяти. Но тогда загадочное явление объяснить не удалось.
Это сделали японцы – профессор И. Акасаки и доктор X. Амано из университета Нагоя. Обработав пленку GaN с примесью магния электронным пучком со сканированием, они получили ярко люминесцирующий слой р-типа с высокой концентрацией дырок. Однако разработчики светодиодов не обратили должного внимания на их публикации.
Лишь в 1989 году доктор Ш. Накамура из фирмы Nichia Chemical, исследуя пленки нитридов элементов III группы, сумел воспользоваться результатами профессора Акасаки. Он так подобрал легирование (Мд, Zn) и термообработку, заменив ею электронное сканирование, что смог получить эффективно инжектирующие слои р-типа в GaN-гетероструктурах. Вот как был получен голубой светодиод.
Фирма Nichia запатентовала ключевые этапы технологии и к концу 1997 года выпускала уже 10-20 млн голубых и зеленых светодиодов в месяц, а в январе 1998 года приступила к выпуску белых светодиодов.
10. Что такое квантовый выход светодиода?
Квантовый выход – это число излученных квантов света на одну рекомбинировавшую электроннодырочную 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 теплоотводом достигает почти 100%, рекорд внешнего квантового выхода для красных светодиодов составляет 55%, а для синих – 35%.
Внешний квантовый выход – одна из основных характеристик эффективности светодиода.
11. Как получить белый свет с использованием светодиодов?
Существует три способа получения белого света от светодиодов. Первый – смешивание цветов 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. Это похоже на то, как светит люминесцентная лампа. И, наконец, в третьем способе желто-зеленый или зеленый плюс красный люминофор наносятся на голубой светодиод, так что два или три излучения смешиваются, образуя белый или близкий к белому свет.
12. Какой из трех способов лучше?
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. Этим процессом можно управлять вручную или посредством программы, можно также получать различные цветовые температуры. Поэтому RGB-матрицы широко используются в светодинамических системах. Кроме того, большое количество светодиодов в матрице обеспечивает высокий суммарный световой поток и большую осевую силу света. Но световое пятно из-за аберраций оптической системы имеет неодинаковый цвет в центре и по краям, а главное, 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. И для них в принципе не проблема попасть в точку с координатами (0.33, 0.33) на цветовой диаграмме МКО. Недостатки же таковы: 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.
13. Каковы электрические и оптические характеристики светодиодов?
Светодиод – низковольтный прибор. 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 1А 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 указывается изготовителем и обычно составляет более 5В 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.
Для сравнения эффективности светодиодов между собой и с другими источниками света используется светоотдача: величина светового потока на один ватт электрической мощности. Также интересной маркетинговой характеристикой оказывается цена одного люмена.
14. Как реагирует светодиод на повышение температуры?
Говоря о температуре светодиода, необходимо различать температуру на поверхности кристалла и в области p-n-перехода. От первой зависит срок службы, от второй – световой выход. В целом с повышением температуры p-n-перехода яркость светодиода падает, потому что уменьшается внутренний квантовый выход из-за влияния колебаний кристаллической решетки. Поэтому так важен хороший теплоотвод.
Падение яркости с повышением температуры не одинаково у светодиодов разных цветов. Оно больше у AlGalnP- и AeGaAs-светодиодов, то есть у красных и желтых, и меньше у InGaN, то есть у зеленых, синих и белых.
15. Почему нужно стабилизировать ток через светодиод?
Как видно из рисунка 2, в рабочих режимах ток экспоненциально зависит от напряжения и незначительные изменения напряжения приводят к большим изменениям тока. Поскольку световой выход прямо пропорционален току, то и яркость светодиода оказывается нестабильной. Поэтому ток необходимо стабилизировать. Кроме того, если ток превысит допустимый предел, то перегрев светодиода может привести к его ускоренному старению.
Рис. 2. Зависимость силы тока от напряжения питания светодиода. |
16. Для чего светодиоду требуется конвертор?
Конвертор (в англоязычной терминологии driver) для светодиода – то же, что балласт для лампы. Он стабилизирует ток, протекающий через светодиод.
17. Можно ли регулировать яркость светодиода?
Яркость светодиодов очень хорошо поддается регулированию, но не за счет снижения напряжения питания – этого-то как раз делать нельзя, – а так называемым методом широтно-импульсной модуляции (ШИМ), для чего необходим специальный управляющий блок (реально он может быть совмещен с блоком питания и конвертором, а также с контроллером управления цветом RGB-матрицы). Метод ШИМ заключается в том, что на светодиод подается не постоянный, а импульсно-модулированный ток, причем частота сигнала должна составлять сотни или тысячи герц, а ширина импульсов и пауз между ними может изменяться. Средняя яркость светодиода становится управляемой, в то же время светодиод не гаснет. Небольшое изменение цветовой температуры светодиода при диммировании несравнимо с аналогичным смещением для ламп накаливания.
18. Чем определяется срок службы светодиода?
Считается, что светодиоды исключительно долговечны. Но это не совсем так. Чем больший ток пропускается через светодиод в процессе его службы, тем выше его температура и тем быстрее наступает старение. Поэтому срок службы у мощных светодиодов короче, чем у маломощных сигнальных, и составляет в настоящее время 20-50 тысяч часов. Старение выражается в первую очередь в уменьшении яркости. Когда яркость снижается на 30% или наполовину, светодиод надо менять.
19. «Портится» ли цвет светодиода с течением времени?
Старение светодиода связано не только со снижением его яркости, но и с изменением цвета. В настоящее время нет стандартов, которые позволили бы выразить количественно изменение цвета светодиодов в процессе старения и сравнить с другими источниками.
20. Не вреден ли светодиод для человеческого глаза?
Спектр излучения светодиода близок к монохроматическому, в чем его кардинальное отличие от спектра солнца или лампы накаливания. Хорошо это или плохо – доподлинно не известно, потому что, насколько я знаю, серьезных исследований в этой области нигде не проводилось. Какие-либо данные о вредном воздействии светодиодов на человеческий глаз отсутствуют.
Есть надежда, что вскоре влияние светодиодов на зрение будет изучено досконально. Проблемой заинтересовался академик Михаил Аркадьевич Островский – крупный специалист в области цветного зрения. Тема, за решение которой он взялся, называется так: «Психофизическое восприятие светодиодного освещения системой зрения человека».
21. Когда и как сверхъяркие светодиоды появились в России?
Об этом лучше всех расскажет профессор Юнович.
Люминесценцию карбида кремния впервые наблюдал Олег Владимирович Лосев в Нижегородской радиотехнической лаборатории в 1923 г. и показал, что она возникает вблизи p-n-перехода. Первая научная статья о кристаллах нитрида галлия была опубликована профессором МГУ Г.С. Ждановым в 30-х гг. Люминесценцию в гетероструктурах на основе арсенида галлия впервые исследовали в лаборатории Ж.И. Алферова в 60-х гг. и показали, что можно создать структуры с внутренним квантовым выходом близким к 100%. Разработки структур и светодиодов на основе нитрида галлия велись в ленинградских Политехническом и Электротехническом институтах, в Калуге, в Зеленограде в 70-х гг., но они тогда не привели к созданию эффективных голубых светодиодов.
В 1995 году я прочел первые статьи Накамуры и понял, что «голубая проблема» в принципе решена. Тогда же я получил грант соросовского фонда. В декабре на эти деньги я смог поехать на конференцию в США, и там профессор Жак Панков познакомил меня с Ш. Накамурой. Я забросил наживку: мол, хочу приобщить студентов Московского университета к передовым достижениям в области голубых светодиодов и рассказать им о столь замечательном изобретении. Рыбка клюнула, и в феврале я получил от д-ра Ш. Накамуры из Японии бандеролью 10 светодиодов от фиолетового до зеленого. Все потом оказалось просто – фирма Nichia Chemical начинала выпуск светодиодов на рынок и была заинтересована в научной рекламе. В лаборатории МГУ мы их досконально исследовали, сняли все характеристики и получили новые научные результаты. Д-р Ш. Накамура дал любезное согласие на совместную публикацию наших первых статей.
Одновременно специалисты из группы Бориса Ферапонтовича Тринчука в Зеленограде продемонстрировали образцы зеленых светодиодов начальникам из ГАИ и получили положительный отзыв. Все дело в том, что эта группа сделала опытный образец светодиодного светофора, но у них не было хороших зеленых светодиодов. Светофоры с новыми сверхъяркими зелеными светодиодами намного превосходили светофоры с лампами, и московское правительство сделало заказ на 1000 светодиодных светофоров к 850-летию Москвы. Такое везение!
Как раз тогда у нас гостила киргизская скрипачка Райкан Карагулова – выпускница Московской консерватории, ученица моей жены, которая работала в Японии первым концертмейстером симфонического оркестра в Осаке. Выяснилось, что место ее работы находится неподалеку от фирмы Nichia Chemical! Б.Ф. Тринчук дал ей тысячу долларов и попросил купить на них и прислать на мой адрес 200 зеленых светодиодов. Из них были изготовлены первые светофоры из той юбилейной тысячи. Москва стала первым в мире городом с массовым применением светодиодных светофоров.
Наши ученые и инженеры в НИИ «Сапфир» пытались повторить достижение японцев и изготовить структуры на основе нитридов для голубых и зеленых светодиодов на старой эпитаксиальной установке, которую пришлось модернизировать, чтобы достичь более высоких температур и давлений. Но инициатива заглохла из-за отсутствия денег и интереса руководства.
22. Какие на сегодняшний день существуют технологии изготовления светодиодов и светодиодных модулей?
Что касается выращивания кристаллов, то основная технология – металлоорганическая эпитаксия. Для этого процесса необходимы особо чистые газы. В современных установках предусмотрены автоматизация и контроль состава газов, их раздельные потоки, точная регулировка температуры газов и подложек. Толщины выращиваемых слоев измеряются и контролируются в пределах от десятков ангстрем до нескольких микрон. Разные слои необходимо легировать примесями, донорами или акцепторами, чтобы создать p-n-переход с большой концентрацией электронов в n-области и дырок – в р-области.
Рис. 3. Схематическое представления светодиода. |
За один процесс, который длится несколько часов, можно вырастить структуры на 6-12 подложках диаметром 50-75 мм. Очень важно обеспечить и проконтролировать однородность структур на поверхности подложек. Стоимость установок для эпитаксиального роста полупроводниковых нитридов, разработанных в Европе (фирмы Aixtron и Thomas Swan) и США (Emcore), достигает 1,5-2 млн долларов. Опыт разных фирм показал, что научиться получать на такой установке конкурентоспособные структуры с необходимыми параметрами можно за время от одного года до трех лет. Это технология, требующая высокой культуры.
Важным этапом технологии является планарная обработка пленок: их травление, создание контактов к n- и р-слоям, покрытие металлическими пленками для контактных выводов. Пленку, выращенную на одной подложке, можно разрезать на несколько тысяч чипов размерами от 0,24 x 0,24 до 1 x 1 мм2/.
Следующим шагом является создание светодиодов из этих чипов. Необходимо смонтировать кристалл в корпусе, сделать контактные выводы, изготовить оптические покрытия, просветляющие поверхность для вывода излучения или отражающие его. Если это белый светодиод, то нужно равномерно нанести люминофор. Надо обеспечить теплоотвод от кристалла и корпуса, сделать пластиковый купол, фокусирующий излучение в нужный телесный угол. Около половины стоимости светодиода определяется этими этапами высокой технологии.
Необходимость повышения мощности для увеличения светового потока привела к тому, что традиционная форма корпусного светодиода перестала удовлетворять производителей из-за недостаточного теплоотвода. Надо было максимально приблизить чип к теплопроводящей поверхности. В связи с этим на смену традиционной технологии и несколько более совершенной SMD-технологии (surface montage details – поверхностный монтаж деталей) приходит наиболее передовая технология СОВ (chip on board). Светодиод, изготовленный по технологии СОВ, схематически изображен на рисунке.
Светодиоды, выполненные по SMD- и СОВ-технологии, монтируются (приклеиваются) непосредственно на общую подложку, которая может исполнять роль радиатора – в этом случае она делается из металла. Так создаются светодиодные модули, которые могут иметь линейную, прямоугольную или круглую форму, быть жесткими или гибкими, короче, призваны удовлетворить любую прихоть дизайнера. Появляются и светодиодные лампы с таким же цоколем, как у низковольтных галогенных, призванные им на замену. А для мощных светильников и прожекторов изготавливаются светодиодные сборки на круглом массивном радиаторе.
Раньше в светодиодных сборках было очень много светодиодов. Сейчас, по мере увеличения мощности, светодиодов становится меньше, зато оптическая система, направляющая световой поток в нужный телесный угол, играет все большую роль.
23. Кто в мире сегодня производит светодиоды?
Чтобы делать качественные светодиоды в нужном количестве, понадобилось слияние двух отраслей – электронной и светотехнической. Все западные гиганты, производящие светодиоды для светотехники по полному циклу, начиная с производства чипов и заканчивая различными светодиодными модулями и сборками, а также светильниками на их основе, идут по этому пути. General Electric заключила союз с производителем полупроводниковых приборов Emcore, создав компанию GEL Core. Philips Lighting совместно с Agilent, дочерней компанией Hewlett-Packard, создали предприятие LumiLeds. Osram объединяет усилия с полупроводниковыми предприятиями своей материнской компании Siemens. Как заметил Макаранд Чипалкатти, менеджер по маркетингу из подразделения Opto Semiconductors компании Osram Sylvania, специализирующемуся на устройствах LED, производители светотехники сами уничтожают свой бизнес. Но если сегодня не «наступить на горло собственной песне», то завтра придут другие и сделают это куда более жестко.
Впрочем, существуют компании, специализирующиеся только на производстве чипов. Это предприятия радиоэлектронной промышленности, и они не занимаются светотехникой. К их числу относится Nichia Corporation.
24. Каковы основные производители светодиодных модулей и сборок и представленные ими модельные ряды?
Чипы и отдельные светодиоды производят компании Nichia Corporation, Сгее, LumiLeds Lighting, Opto Technology, Osram Opto Semiconductors, GEL Core. Массовое производство структур и чипов для светодиодов ведут тайваньские фирмы Lite-On, Taiwan Oasis и др.
В России светодиоды производят компании Корвет Лайт, Светлана Оптоэлектроника, Оптэл, Оптоника. По конструкции и технологическому исполнению наши светодиоды не уступают зарубежным, специалисты перечисленных компаний имеют соответствующие патенты. В Москве и Санкт-Петербурге есть возможность выращивать собственные чипы – например, эпитаксиальная установка имеется в Санкт-Петербургском физтехе, – но для промышленного производства необходимо крупное финансирование, и пока наши компании используют зарубежные чипы.
25. Где сегодня целесообразно применять светодиоды?
Светодиоды находят применение практически во всех областях светотехники, за исключением освещения производственных площадей, да и там могут использоваться в аварийном освещении. Светодиоды оказываются незаменимы в дизайнерском освещении благодаря их чистому цвету, а также в светодинамических системах. Выгодно же их применять там, где дорого обходится частое обслуживание, где необходимо жестко экономить электроэнергию, и где высоки требования по электробезопасности.
26. Возможности и применение
Изобретение первых светодиодов – полупроводниковых диодов в эпоксидной оболочке, выделяющих монохроматический свет при подключении к электротоку – относится к 1960-м годам. Однако до 1980-х низкая яркость, отсутствие светодиодов синего и белого цветов, а также высокие затраты на их производство ограничивали их массовое применение в качестве источников света. Поэтому светодиоды в основном использовали в наружных электронных табло, ими оборудовали системы регулирования дорожного движения, применяли в оптоволоконных системах передачи данных и медицинском оборудовании.
Появление сверх ярких, а также синих (в середине 1990-х годов) и белых диодов (в начале XXI века) и постоянное снижение их рыночной стоимости привлекли внимание многих производителей к данным источникам света. Светодиоды стали использовать в качестве индикаторов режимов работы электронных устройств, в подсветке жидкокристаллических экранов различных приборов, в том числе – мобильных телефонов и пр. Впоследствии применение светодиодов основных цветов (красного, синего и зеленого) позволило получать цвета вывесок фактически любых оттенков, а также конструировать из них дисплеи с выводом полноцветной графики и анимации.
Светодиоды, за счет их малой потребности в электроэнергии, – оптимальный выбор декоративного освещения в местах, где существуют проблемы с энергетикой.
Срок службы светодиодов, превышающий в 6-8 раз долговечность люминесцентных ламп, относительная простота в работе с ними на этапе сборки изделий, отсутствие необходимости в регулярном обслуживании и их антивандальные качества делают эти источники света конкурентоспособными с более традиционными газоразрядными, люминесцентными лампами и лампами накаливания. Одним из немногих и существенных аспектов, за счет которого неон удерживает свои позиции в сегменте подсветки вывесок, является пока еще более высокая стоимость светодиодов.
27. Преимущества
Экономично…
Одним из достоинств светодиодов является их долговечность. Данные источники света обладают ресурсом использования 100 000 часов, а ведь это 10-12 лет непрерывной работы. Для сравнения – максимальный срок работы неоновых и люминесцентных ламп составляет 10 тыс. часов.
За это же время в световом модуле, использующем люминесцентные лампы, их нужно будет сменить 8-10 раз, а лампы накаливания придется заново «вкручивать» от 30 до 40 раз. Использование светодиодных модулей позволяет снизить затраты на электроэнергию до 87%!
Удобно…
Светодиодный модуль – многокомпонентная структура с неприхотливой схемой подключения. В цепочке, скажем, из полусотни светодиодов один-два неисправных не только не выводят рекламный фрагмент из строя, но даже не влияют на суммарное световое излучение. Гигантский ресурс работы светодиодов практически решает проблемы, связанные с необходимостью их замены. Кроме того, светоизлучающие диоды способны надежно функционировать в самом широком диапазоне рабочих температур.
Надежно…
Есть надежность совершенно особого рода – та, от которой порою зависят человеческие жизни. Применение светодиодов в устройствах отображения информации (дорожные знаки, светофоры, информационные табло и т.д.) ведет к значительному увеличению расстояния их восприятия человеческим глазом. Неслучайно во многих крупных городах развитых стран уже нет обычных светофоров, а светодиодные схемы используются в воздушных и надводных навигационных системах.
Другим аспектом, благодаря которому светодиодам некоторыми заказчиками отдается предпочтение, являются их прочность и антивандальные качества. В отличие от стеклянных трубок данные источники света изготовлены из пластика. За счет этого их нелегко вывести из строя посредством механических повреждений. Характерное напряжение, необходимое для работы одного светодиода, – 3-4 вольта. Поэтому в условиях, когда требуется соблюдение повышенных мер безопасности или нет возможности использовать высокие напряжения, светодиоды являются оптимальным выбором. Рабочее напряжение светодиодных модулей, как упоминалось ранее, составляет 10-12 В. Очевидно, что при низком напряжении не требуется применять провода большого сечения с сильной изоляцией. Это также облегчает подключение светодиодов к электросети. У газоразрядных трубок, в отличие от светодиодов, есть порог срабатывания: чтобы источник света загорелся, в начале необходимо подать на разряд необходимое напряжение. Светодиоды же начинают излучать свет сразу при подключении к электросети, и их яркость легко регулировать наращиванием или снижением напряжения практически сразу после включения. Одним из важных преимуществ светодиодов является устойчивость к воздействию низких температур. Известно, что на морозе внутри газоразрядных источников света происходит вымерзание ртути, и это приводит к снижению яркости свечения. При отрицательных температурах также возникают проблемы с включением неона. Светодиоды лишены этих минусов.
Красиво…
Если бы LED-технологии не изобрели светотехники, их бы создали дизайнеры. Светодиоды, в отличие от ламп с неоном, имеют практически неограниченные возможности для «игры» со спектрами, цепочки которых можно выстроить таким образом, чтобы световые акценты точно работали на образ. Плавные, почти незаметные для глаза световые переходы от пика к пику в плане выразительности, конечно, уступают живописи, но оставляют далеко позади другие источники света. Изощренная цветодинамика, характерная для светодиодных модулей, способна удовлетворить требования самого требовательного дизайнера. Интересно, что игра со спектрами имеет и экологическое значение. Ведь кривые чувствительности, скажем, растений и человеческого глаза не совпадают: те спектры, которые комфортны для нашего глаза, часто дискомфортны для растений, и наоборот. Зональное использование различных светодиодных «цепочек» в тех интерьерах, где одновременно пребывают и растения, и человек, снимают эту проблему.
Представительно…
Светодиодные модули необычайно компактны. Различные сувениры, миниатюрные стенды и компактные табло, украшенные светодиодной символикой компании, смотрятся на удивление выразительно и необычно. Доля рынка светотехнических изделий, занимаемая светодиодами, составляет ничтожную долю. В развитых странах, особенно в крупных городах и столицах, она медленно, но верно возрастает. Своеобразным символом этой нежной и неизбежной революции стало гигантское 500-метровое полотно из светодиодов, непрерывно протянувшееся над главной улицей Лас-Вегаса.
Как работают светодиоды
Диод – это простейший полупроводниковый прибор. Вообще говоря, полупроводник – это материал с различной способностью проводить электрический ток. Большинство полупроводников сделано из плохого проводника, в который были добавлены примеси (атомы другого материала). Процесс добавления примесей называется легированием .
В случае светодиодов материалом проводника обычно является арсенид алюминия-галлия (AlGaAs).В чистом арсениде алюминия-галлия все атомы идеально связаны со своими соседями, не оставляя свободных электронов (отрицательно заряженных частиц) для проведения электрического тока. В легированном материале дополнительные атомы изменяют баланс, либо добавляя свободные электроны, либо создавая дыры, по которым электроны могут уходить. Любое из этих изменений делает материал более проводящим.
Полупроводник с дополнительными электронами называется материалом N-типа , так как он содержит дополнительные отрицательно заряженные частицы.В материале N-типа свободные электроны перемещаются из отрицательно заряженной области в положительно заряженную.
Полупроводник с дополнительными дырками называется материалом P-типа , поскольку он фактически содержит дополнительные положительно заряженные частицы. Электроны могут прыгать от отверстия к отверстию, перемещаясь из отрицательно заряженной области в положительно заряженную. В результате кажется, что сами отверстия перемещаются из положительно заряженной области в отрицательно заряженную.
Диод состоит из секции материала N-типа, прикрепленной к секции материала P-типа, с электродами на каждом конце.Это устройство проводит электричество только в одном направлении. Когда на диод не подается напряжение, электроны из материала N-типа заполняют отверстия в материале P-типа вдоль стыка между слоями, образуя зону обеднения. В зоне истощения полупроводниковый материал возвращается в исходное изолирующее состояние – все отверстия заполнены, поэтому нет свободных электронов или пустых пространств для электронов, и электричество не может течь.
Чтобы избавиться от зоны истощения, вы должны заставить электроны двигаться из области N-типа в область P-типа, а дырки – в обратном направлении.Для этого вы подключаете сторону N-типа диода к отрицательному концу цепи, а сторону P-типа к положительному концу. Свободные электроны в материале N-типа отталкиваются отрицательным электродом и притягиваются к положительному электроду. Отверстия в материале P-типа перемещаются в другую сторону. Когда разность напряжений между электродами достаточно высока, электроны в зоне обеднения выталкиваются из своих отверстий и снова начинают свободно перемещаться. Зона обеднения исчезает, и заряд перемещается по диоду.
Если вы попытаетесь пропустить ток другим путем, когда сторона P-типа подключена к отрицательному концу цепи, а сторона N-типа подключена к положительному концу, ток не будет течь. Отрицательные электроны в материале N-типа притягиваются к положительному электроду. Положительные отверстия в материале P-типа притягиваются к отрицательному электроду. Через переход не протекает ток, потому что дырки и электроны движутся в неправильном направлении. Зона истощения увеличивается.(См. «Как работают полупроводники» для получения дополнительной информации обо всем процессе.)
Взаимодействие между электронами и дырками в этой установке имеет интересный побочный эффект – оно генерирует свет!
Как работает светодиод »Электроника
Полупроводниковые технологии и используемые материалы являются ключом к пониманию того, как работают светодиоды.
Light Emitting Diode Tutorial Включает:
LED
Как работает светодиод
Как делается светодиод
Технические характеристики светодиодов
Срок службы светодиода
Светодиодные пакеты
Светодиоды высокой мощности / яркости
Светодиодное освещение
Органические светодиоды, OLED
Другие диоды: Типы диодов
Светодиодная технология считается само собой разумеющимся, поскольку светодиоды широко используются.Однако используемые технологии и материалы являются ключом к пониманию того, как работает светодиод.
Хотя основной PN переход использовался в течение многих лет, только в 1962 году был разработан светодиод, и его действие стало понятным.
Светодиод, символ цепи светодиодаСветодиодная технология: как работает светодиод
Светодиод – это специализированная форма PN-перехода, в которой используется составной переход. Полупроводниковый материал, используемый для перехода, должен быть составным полупроводником.Обычно используемые полупроводниковые материалы, включая кремний и германий, представляют собой простые элементы, и переходы, сделанные из этих материалов, не излучают свет. Вместо этого составные полупроводники, включая арсенид галлия, фосфид галлия и фосфид индия, являются составными полупроводниками, и переходы, сделанные из этих материалов, действительно излучают свет.
Эти сложные полупроводники классифицируются по валентным зонам, которые занимают их составляющие. Что касается арсенида галлия, галлий имеет валентность три, а мышьяк – пять, и это то, что называется полупроводником группы III-V, и есть ряд других полупроводников, которые подходят к этой категории.Также возможны полупроводники, изготовленные из материалов III-V групп.
Как работает светоизлучающий диодСветодиод излучает свет при прямом смещении. Когда к переходу прикладывается напряжение, чтобы сделать его смещенным в прямом направлении, течет ток, как в случае любого PN перехода. Дырки из области p-типа и электроны из области n-типа входят в переход и рекомбинируют, как обычный диод, чтобы позволить току течь. Когда это происходит, высвобождается энергия, часть которой находится в форме световых фотонов.
Обнаружено, что большая часть света излучается из области перехода, более близкой к области P-типа. В результате конструкция диодов сделана так, чтобы эта область сохранялась как можно ближе к поверхности устройства, чтобы гарантировать, что минимальное количество света поглощается структурой.
Для получения видимого света необходимо оптимизировать стык и выбрать правильные материалы. Чистый арсенид галлия выделяет энергию в инфракрасной части спектра.Чтобы довести световое излучение до видимого красного конца спектра, к полупроводнику добавляют алюминий, чтобы получить арсенид алюминия-галлия (AlGaAs). Также можно добавить фосфор, чтобы получить красный свет. Для других цветов используются другие материалы. Например, фосфид галлия дает зеленый свет, а фосфид алюминия, индия и галлия используется для желтого и оранжевого света. Большинство светодиодов основано на полупроводниках галлия.
Светодиодные материалы и цвета света
Длина волны Диапазон (нм) | Цвет | В F при 20 мА | Материал |
---|---|---|---|
<400 | Ультрафиолет | 3.1 – 4,4 | Нитрид алюминия (AlN) Нитрид алюминия-галлия (AlGaN) Нитрид алюминия-галлия-индия (AlGaInN) |
400–450 | фиолетовый | 2,8 – 4,0 | Нитрид индия-галлия (InGaN) |
450–500 | Синий | 2,5 – 3,7 | Нитрид индия-галлия (InGaN) Карбид кремния (SiC) |
500–570 | Зеленый | 1.9 – 4,0 | Фосфид галлия (GaP) Алюминий галлий фосфид индия (AlGaInP) Алюминий фосфид галлия (AlGaP) |
570–590 | желтый | 2,1 – 2,2 | Фосфид арсенида галлия (GaAsP) Фосфид алюминия-галлия-индия (AlGaInP) Фосфид галлия (GaP) |
590 – 610 | Оранжевый / янтарный | 2,0 – 2,1 | Фосфид арсенида галлия (GaAsP) Фосфид алюминия-галлия-индия (AlGaUInP) Фосфид галлия (GaP) |
610–760 | Красный | 1.6 – 2,0 | Арсенид алюминия-галлия (AlGaAs) Фосфид арсенида галлия (GaAsP) Фосфид алюминия-галлия-индия (AlGaInP) Фосфид галлия (GaP) |
> 760 | Инфракрасный | <1,9 | Арсенид галлия (GaAs) Арсенид алюминия-галлия (AlGaAs) |
Другие электронные компоненты:
резисторов
Конденсаторы
Индукторы
Кристаллы кварца
Диоды
Транзистор
Фототранзистор
Полевой транзистор
Типы памяти
Тиристор
Разъемы
Разъемы RF
Клапаны / трубки
Аккумуляторы
Переключатели
Реле
Вернуться в меню «Компоненты».. .
Что такое светодиоды?
Светоизлучающие диоды (СИД) – это электрический источник света, состоящий из двух электродов, находящихся в контакте друг с другом. Электричество течет только в одном направлении, входя через анод и выходя через катод. Электрический ток заряжает атомы в одном материале, затем становится электроном для другого проводящего материала и в конечном итоге создает свет.
Общее использование светодиодов- Внутреннее / внешнее освещение
Использование и функции светодиодов зависят от места, где они используются. Его можно использовать для подсветки телевизора, смартфона, светодиодных дисплеев, автомобильного освещения и затемнения света. Использование светодиода обеспечивает более длительный срок службы батареи для устройств из-за более низкого выходного напряжения и меньшего энергопотребления.
светодиода также могут использоваться для отображения состояния устройства. Например, светодиоды часто используются, чтобы указать, включено ли устройство, выключено или находится в каком-либо другом режиме работы.
Светодиодытакже хороши для отображения последовательности чисел, которая создается путем включения или отключения любого из семи сегментов светодиодов для отображения цифры. С другой стороны, матричные дисплеи могут отображать значки, другую базовую графику и образовывать буквенно-цифровые символы, поскольку они представляют собой квадратные или круглые пиксели. У вас также есть возможность максимизировать количество информации, которую вы можете отобразить на небольшом пространстве, прокручивая символы и графику по дисплею.
Оптопарыобеспечивают гальваническую развязку между входным источником и выходной нагрузкой с помощью светочувствительного оптического интерфейса.В этом электронном компоненте светодиод используется для обнаружения излучаемого инфракрасного луча путем создания инфракрасного света и полупроводникового светочувствительного устройства. Сила тока от источника сигнала проходит через входной светодиод, который излучает инфракрасный свет, пропорциональный электрическому сигналу.
Преимущества светодиодовНекоторые из преимуществ светодиодов следующие:
- Энергоэффективность – светодиоды имеют КПД 80-90%, что означает, что до 90% их энергии может быть превращено в свет, а не в тепло, в отличие от некоторых ламп, которые теряют 80% своей энергии в виде тепла.
- Прочные и долговечные. Они сделаны из твердого пластика, который выдерживает суровые погодные условия, удары, вибрацию и истирание.
- Направленный – вы можете изменять направление света в любом месте, не тратя его впустую.
- Нет УФ-излучения – светодиоды излучают очень мало инфракрасного света, поэтому большую часть времени они используются в музеях. Они не разрушают хранящиеся материалы ни под воздействием ультрафиолета, ни под действием тепла. Он помогает освещать дисплеи, но также предотвращает повреждение артефактов.
- Управляемый – вы можете контролировать, хотите ли вы, чтобы он был тусклым или ярким, или какого цвета вы хотите, чтобы он отображался.
- Работает при экстремальных температурах – светодиоды надежны, даже когда ртуть падает, в отличие от других источников света, таких как люминесцентные лампы, на которые могут повлиять очень низкие температуры. Это также причина, по которой его используют в морозильных камерах.
- Длительный срок службы – при правильной конструкции длится до 50 000 часов или более.
Это лишь некоторые из преимуществ светодиодов, которые делают их очень экономичными и эффективными в реальных приложениях.
Полярность светодиодасветодиода относятся к семейству диодов, поэтому, как и его родственники, он также поляризован.
Полярность светодиодаСуществует множество способов определить отрицательный и положительный контакты светодиода. Вы можете проверить более длинную ногу, которая указывает на положительный или анодный штифт, и более короткую ветвь как катодный штифт. Если вы не можете определить его по ножкам, вы можете найти плоский край на внешнем корпусе светодиода. Штифт, ближайший к плоскому краю, будет отрицательным катодным штифтом.При использовании мультиметра, если отрицательный вывод касается катода, а положительный вывод касается анода, светодиод должен загореться.
Токоограничивающие резисторыЕсли через светодиод проходит большой ток, он перегорает слишком быстро. С другой стороны, если через него проходит меньший ток, этого может быть недостаточно для включения светодиода. Чтобы контролировать это, используется резистор, ограничивающий ток, чтобы уменьшить ток в цепи.
Схема с токоограничивающим резисторомВам нужно найти значения тока, Vf и Vs, чтобы получить номинал резистора ограничения тока, который вам понадобится.Прямой ток можно найти в таблице данных светодиодов, а также падение прямого напряжения, а Vs – это напряжение питания. Когда у вас есть все эти значения, вы можете использовать приведенное ниже уравнение для определения резистора ограничения тока.
Используя закон Кирхгофа (KCL), ток от источника через резистор и светодиод, идущий на землю, одинаков. Если вы используете закон напряжения Кирхгофа (KVL), напряжение питания равно падению напряжения на резисторе, которое складывается с прямым падением напряжения светодиода.
Например:
Какой номинал токоограничивающего резистора вам нужен, если у вас есть один светодиод и вы хотите запитать его напряжением питания Vs = 3,5 В?
Для расчета токоограничивающего резистора,
- Проверьте в таблице данных светодиодов рекомендованные параметры прямого напряжения и прямого тока светодиода. В этом примере они составляют 3,1 В и 30 мА соответственно.
- Преобразуйте все ваши единицы в вольты, амперы или омы.
- Поместите значения в уравнение выше, где i = 30 мА или 0.03А.
Если вы не можете найти резистор с таким значением, можно округлить до следующего наибольшего общего значения.
Что такое светодиод? | LEDs Magazine
Проще говоря, светоизлучающий диод (LED) – это полупроводниковое устройство, которое излучает свет, когда через него проходит электрический ток. Свет образуется, когда частицы, переносящие ток (известные как электроны и дырки), объединяются в полупроводниковом материале.Поскольку свет генерируется внутри твердого полупроводникового материала, светодиоды описываются как твердотельные устройства.Термин твердотельное освещение, которое также включает органические светодиоды (OLED), отличает эту технологию освещения от других источников, в которых используются нагретые нити накала (лампы накаливания и вольфрамовые галогенные лампы) или газоразрядные (люминесцентные лампы).
Разные цвета
Внутри полупроводникового материала светодиода электроны и дырки находятся внутри энергетических зон. Разделение полос (то есть запрещенная зона) определяет энергию фотонов (световых частиц), излучаемых светодиодом.
Энергия фотона определяет длину волны излучаемого света и, следовательно, его цвет. Различные полупроводниковые материалы с разной шириной запрещенной зоны производят свет разного цвета. Точную длину волны (цвет) можно настроить, изменив состав светоизлучающей или активной области.
Светодиоды состоят из сложных полупроводниковых материалов, которые состоят из элементов группы III и группы V периодической таблицы (они известны как материалы III-V). Примерами материалов III-V, обычно используемых для изготовления светодиодов, являются арсенид галлия (GaAs) и фосфид галлия (GaP).
До середины 90-х годов светодиоды имели ограниченный диапазон цветов, и, в частности, не существовало коммерческих синих и белых светодиодов. Разработка светодиодов на основе системы материалов из нитрида галлия (GaN) дополнила цветовую палитру и открыла множество новых применений.
Основные материалы светодиодов
Основными полупроводниковыми материалами, используемыми для производства светодиодов, являются:
- Нитрид индия и галлия (InGaN): синие, зеленые и ультрафиолетовые светодиоды высокой яркости
- Алюминий галлий, фосфид индия (AlGa желтых, оранжевых и красных светодиода высокой яркости
- Арсенид алюминия-галлия (AlGaAs): красных и инфракрасных светодиода
- фосфид галлия (GaP): желтых и зеленых светодиода
Светоизлучающий диод: основы, типы и Характеристики
Светодиод или светоизлучающий диод – это полупроводниковое устройство, излучающее свет за счет эффекта электролюминесценции.Светодиод в основном представляет собой PN-диод, который излучает свет при прямом смещении.
Светодиоды есть почти везде. Вы можете найти светодиоды в автомобилях, велосипедах, уличных фонарях, домашнем освещении, офисном освещении, мобильных телефонах, телевизорах и многом другом.
Причина столь широкого внедрения светодиодов в их преимуществах перед традиционными лампами накаливания и современными компактными люминесцентными лампами (КЛЛ). Ниже приведены некоторые преимущества светодиодов перед источниками света накаливания и КЛЛ:
- Низкое энергопотребление
- Малый размер
- Быстрое переключение
- Физическая надежность
- Долговечность
Благодаря этим преимуществам светодиоды стали довольно популярными среди большой набор людей.Инженеры-электронщики, любители электроники и энтузиасты электроники часто работают со светодиодами для различных проектов.
Следовательно, статья о светоизлучающих диодах, посвященная различным темам, таким как основы светодиодов, типы светодиодов и характеристики светодиода, принесет пользу всем. Итак, давайте начнем с основ светодиодов.
Основы светодиодов (светоизлучающих диодов)
Как упоминалось во введении, светодиод – это полупроводниковый источник света. Он состоит из диода с PN-переходом, и когда на светодиод подается напряжение, электроны и дырки рекомбинируют в PN-переходе и выделяют энергию в виде света (фотонов).
Свет, излучаемый светодиодом, обычно монохроматический, то есть одноцветный, и цвет зависит от ширины запрещенной зоны полупроводника.
Светоизлучающие диоды могут быть изготовлены для излучения всех длин волн видимого спектра, то есть от красного (620–750 нм) до сине-фиолетового (380–490 нм).
Электрический символ светодиода аналогичен символу PN-диода. На следующем изображении показан красный светодиод вместе с символами PN-диода и светодиода.
Характеристики светодиода (светоизлучающего диода)
Перед тем, как подключить светодиод и начать его использовать, есть несколько характеристик светодиода, которые стоит знать (на самом деле, они очень важны). Если вы обратитесь к любому из технических данных, предоставленных производителем, вы можете найти спецификацию партии, соответствующую электрическим характеристикам, абсолютным максимальным номинальным характеристикам, физическим размерам и т. Д.
Я не буду утомлять вас всеми характеристиками, а только тремя важными. .Это полярность, прямое напряжение и прямой ток.
Полярность светодиода
Полярность указывает на симметричность электронного компонента. Светоизлучающий диод, аналогичный диоду с PN-переходом, не является симметричным, то есть позволяет току течь только в одном направлении.
В светодиодах положительный вывод называется анодом, а отрицательный вывод называется катодом. Для правильной работы светодиода анод светодиода должен иметь более высокий потенциал, чем катод, поскольку ток в светодиодах течет от анода к катоду.
Что будет, если подключить светодиод в обратном направлении? Что ж, ничего не происходит, так как светодиод не проводит. Вы можете легко идентифицировать анодный вывод светодиода, поскольку они обычно имеют более длинные выводы.
Прямой ток светодиода
Светодиоды – очень чувствительные устройства, и величина тока, протекающего через светодиод, очень важна. Кроме того, яркость светодиода зависит от силы тока, потребляемого светодиодом.
Каждый светодиод рассчитан на максимальный прямой ток, который может безопасно проходить через него, не перегорая светодиод.Да. Если допустить ток, превышающий номинальный, светодиод фактически сгорит.
Например, наиболее часто используемые светодиоды 5 мм имеют номинальный ток от 20 мА до 30 мА, а светодиоды 8 мм имеют номинальный ток 150 мА (точные значения см. В таблице данных).
Как регулировать ток, протекающий через светодиод? Чтобы контролировать ток, протекающий через светодиод, мы используем резисторы, ограничивающие ток.
Дополнительная информация о светодиодах и токоограничивающих резисторах SIMPLE LED CIRCUITS.
Прямое напряжение светодиода
Светоизлучающие диоды также рассчитаны на прямое напряжение, то есть количество напряжения, необходимое для того, чтобы светодиод проводил электричество. Например, все 5-миллиметровые светодиоды имеют номинальный ток 20 мА, но прямое напряжение меняется от одного светодиода к другому.
Красные светодиоды имеют максимальное номинальное напряжение 2,2 В, синие светодиоды – максимальное номинальное напряжение 3,4 В, а белые светодиоды – максимальное номинальное напряжение 3,6 В.
Простая светодиодная схема
На следующем изображении показана схема простой светодиодной схемы, состоящей из 5-миллиметрового белого светодиода с источником питания 5 В.
Так как это белый светодиод, номинальные ток и напряжение следующие: типичный прямой ток составляет 20 мА, а типичное прямое напряжение – 2 В.
Итак, чтобы регулировать ток и напряжение, мы использовали резистор 180 Ом, рассчитанный на Вт рассеиваемой мощности.
Типы светодиодов
Светодиоды для сквозных отверстий
Они доступны в различных формах и размерах, наиболее распространенными из которых являются светодиоды 3 мм, 5 мм и 8 мм. Эти светодиоды доступны в разных цветах, таких как красный, синий, желтый, зеленый, белый и т. Д.
Светодиоды SMD (светоизлучающие диоды для поверхностного монтажа)
Светодиоды для поверхностного монтажа или SMD-светодиоды представляют собой специальные корпуса, которые можно легко установить на печатной плате. Светодиоды SMD обычно различаются по физическим размерам. 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 вывода, обычно два анода и общий катод.Цвет будет активирован в зависимости от конфигурации проводов.
Светодиод RGB (красный – синий – зеленый светодиод)
Светодиоды RGB – самые любимые и самые популярные светодиоды среди любителей и дизайнеров. Даже компьютерные сборки очень популярны для реализации светодиодов RGB в корпусах компьютеров, материнских платах, ОЗУ и т. Д.
Светодиод RGB содержит 3 светодиода на одном кристалле, и с помощью метода, называемого ШИМ (широтно-импульсная модуляция), мы можем управлять выходом RGB-светодиода для получения широкого диапазона цветов.
Светодиоды высокой мощности
Светодиод с номинальной мощностью не менее 1 Вт называется светодиодом высокой мощности. Это связано с тем, что обычные светодиоды имеют рассеиваемую мощность в несколько милливатт.
Светодиоды высокой мощности очень яркие и часто используются в фонариках, автомобильных фарах, прожекторах и т. Д.
Поскольку рассеиваемая мощность светодиодов высокой мощности высока, требуется надлежащее охлаждение и использование радиаторов. Кроме того, потребляемая мощность этих светодиодов обычно очень высока.
В этой статье мы рассмотрели основы светодиодов и несколько важных характеристик светодиодов. В следующем уроке мы увидим, как работает светодиод и как устроен светодиод.
LED | электроника | Britannica
Узнайте, как работают различные типы электрического освещения – лампы накаливания, галогенные, флуоресцентные и светодиодные
Обзор различных типов электрического света, включая лампы накаливания, галогенные, люминесцентные и светодиодные.
Contunico © ZDF Enterprises GmbH, Майнц Посмотреть все видеоролики по этой статьеСветодиод , полностью светоизлучающий диод , в электронике, полупроводниковое устройство, которое излучает инфракрасный или видимый свет при зарядке электрическим током.Видимые светодиоды используются во многих электронных устройствах в качестве индикаторных ламп, в автомобилях в качестве фонарей заднего стекла и стоп-сигналов, а также на рекламных щитах и знаках в виде буквенно-цифровых дисплеев или даже полноцветных плакатов. Инфракрасные светодиоды используются в автофокусных камерах и телевизионных пультах дистанционного управления, а также в качестве источников света в волоконно-оптических телекоммуникационных системах.
Светодиоды.
© GussisaurioЗнакомая лампочка излучает свет за счет накаливания – явления, при котором нагрев проволочной нити электрическим током заставляет проволоку излучать фотоны, основные энергетические пакеты света.Светодиоды работают за счет электролюминесценции – явления, при котором испускание фотонов вызывается электронным возбуждением материала. Чаще всего в светодиодах используется арсенид галлия, хотя есть много вариантов этого основного соединения, например, арсенид алюминия-галлия или фосфид алюминия-галлия-индия. Эти соединения являются членами так называемой группы полупроводников III-V, то есть соединений, состоящих из элементов, перечисленных в столбцах III и V периодической таблицы. Изменяя точный состав полупроводника, можно изменить длину волны (и, следовательно, цвет) излучаемого света.Излучение светодиода обычно находится в видимой части спектра (т.е. с длинами волн от 0,4 до 0,7 микрометра) или в ближнем инфракрасном диапазоне (с длинами волн от 0,7 до 2,0 микрометров). Яркость света, наблюдаемого от светодиода, зависит от мощности, излучаемой светодиодом, и от относительной чувствительности глаза на излучаемой длине волны. Максимальная чувствительность достигается при 0,555 мкм, что находится в желто-оранжевой и зеленой области. Приложенное напряжение в большинстве светодиодов довольно низкое, в районе 2.0 вольт; ток зависит от области применения и колеблется от нескольких миллиампер до нескольких сотен миллиампер.
Термин диод относится к двухполюсной структуре светоизлучающего устройства. В фонарике, например, проволочная нить накала подключена к батарее через две клеммы: одна (анод) несет отрицательный электрический заряд, а другая (катод) – положительный. В светодиодах, как и в других полупроводниковых устройствах, таких как транзисторы, «выводы» на самом деле представляют собой два полупроводниковых материала разного состава и электронных свойств, соединенных вместе, чтобы сформировать переход.В одном материале (отрицательный полупроводник или полупроводник типа n ) носителями заряда являются электроны, а в другом (положительный полупроводник или полупроводник типа p ) носителями заряда являются «дырки», созданные отсутствием электронов. Под влиянием электрического поля (питаемого батареей, например, когда светодиод включен), ток может протекать через переход p – n , обеспечивая электронное возбуждение, которое заставляет материал люминесценция.
В типичной светодиодной структуре прозрачный эпоксидный купол служит структурным элементом, удерживающим вместе выводную рамку, линзой для фокусировки света и согласованием показателя преломления, позволяющим большему количеству света выходить из светодиодного кристалла. Чип, обычно размером 250 × 250 × 250 микрометров, устанавливается в отражающий стакан, сформированный в выводной рамке. Слои GaP: N типа p – n представляют собой азот, добавленный к фосфиду галлия для получения зеленого излучения; слои GaAsP: N типа p – n представляют собой азот, добавленный к фосфиду арсенида галлия с получением оранжевого и желтого излучения; и слой GaP: Zn, O типа p представляет собой цинк и кислород, добавленные к фосфиду галлия для получения красного излучения.Еще два усовершенствования, разработанные в 1990-х годах, – это светодиоды на основе фосфида алюминия, галлия и индия, которые эффективно излучают свет от зеленого до красно-оранжевого, а также светодиоды с синим светом на основе карбида кремния или нитрида галлия. Синие светодиоды можно комбинировать в кластере с другими светодиодами для получения всех цветов, включая белый, для полноцветных движущихся дисплеев.
Получите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчасЛюбой светодиод может использоваться в качестве источника света для волоконно-оптической системы передачи на короткие расстояния, то есть на расстоянии менее 100 метров (330 футов).Однако для волоконной оптики дальнего действия характеристики излучения источника света выбираются в соответствии со свойствами передачи оптического волокна, и в этом случае инфракрасные светодиоды подходят лучше, чем светодиоды видимого света. Стеклянные оптические волокна имеют самые низкие потери при передаче в инфракрасной области на длинах волн 1,3 и 1,55 мкм. Чтобы соответствовать этим свойствам пропускания, используются светодиоды, которые изготовлены из фосфида арсенида индия галлия, нанесенного слоем на подложку из фосфида индия.Точный состав материала может быть отрегулирован для излучения энергии с точностью 1,3 или 1,55 микрометра.
цифровые часыСветодиодные цифровые часы.
© Danilo Calilung / Corbis RFСветоизлучающий диод (LED) – в последнюю минуту инженеры
Светодиоды есть везде – в наших телефонах, в наших машинах и даже в наших домах. Всякий раз, когда загорается электронное устройство, есть большая вероятность, что за ним находится светодиод.
Светодиоды похожи на крошечные лампочки.Низкое энергопотребление, небольшой размер, быстрое переключение и длительный срок службы делают их идеальными для мобильных устройств и других приложений с низким энергопотреблением.
LED означает Light Emitting Diode . Это особый тип диодов, преобразующих электрическую энергию в свет. По своим электрическим характеристикам они очень похожи на обычный диод с PN переходом. Вот почему символ светодиода похож на обычный диод с PN переходом, за исключением того, что он содержит стрелки, указывающие в сторону от диода, указывающие, что диод излучает свет.
Конструкция светодиода
Светодиоды настолько распространены, что бывают самых разнообразных форм, размеров и цветов. Скорее всего, вы будете использовать стандартные светодиоды со сквозным отверстием на двух ножках. На следующем рисунке показаны его части.
Конструкция светодиода сильно отличается от обычного диода. PN-переход светодиода окружен прозрачной жесткой пластмассовой оболочкой из эпоксидной смолы.
Оболочка сконструирована таким образом, что фотоны света, излучаемые переходом, фокусируются вверх через куполообразную вершину светодиода, которая сама действует как линза.Вот почему излучаемый свет кажется самым ярким в верхней части светодиода.
Как и в обычном диоде, положительная сторона светодиода называется анодом , а отрицательная сторона светодиода называется катодом . Катод обычно обозначается более коротким выводом, чем анод. Мало того, на внешней стороне пластикового корпуса обычно есть плоское пятно или выемка, которые также могут указывать на катодную сторону светодиода.
Не все светодиоды имеют полусферическую форму, некоторые имеют прямоугольную форму, а некоторые – цилиндрическую, но в большинстве случаев они имеют одинаковую конструкцию.
Изображение предоставлено: wikipedia.orgСветодиод работает
Как и обычный диод, светодиод работает только в режиме прямого смещения. Когда светодиод смещен вперед, свободные электроны пересекают PN-переход и рекомбинируют с дырками. Поскольку эти электроны падают с более высокого уровня энергии на более низкий, они излучают энергию в виде фотонов (света).
В обычных диодах эта энергия излучается в виде тепла, в то время как в светодиодах энергия излучается в виде света. Этот эффект называется Электролюминесценция .
Цвета светодиодов
Светодиоды доступны в широком диапазоне цветов, наиболее распространенными из которых являются красный, зеленый, желтый, синий, оранжевый, белый и инфракрасный (невидимый) свет.
В отличие от обычных диодов, изготовленных из германия или кремния, светодиоды состоят из таких элементов, как галлий, мышьяк и фосфор. Смешивая эти элементы в разных пропорциях, производитель может производить светодиоды, излучающие разные цвета, как показано в таблице ниже.
Ультрафиолетовый | <400 | 3.1-4,4 | Нитрид алюминия (ALN) Нитрид алюминия-галлия (AIGaN) |
Фиолетовый | 400-450 | 2,8-4,0 | Нитрид индия-галлия (InGaN) |
Синий | 450-500 | 2,5-3,7 | Нитрид индия-галлия (InGaN) Карбид кремния (SiC) |
Зеленый | 500-570 | 1,9-4,0 | Фосфид галлия (GaP) Фосфид алюминия-галлия (ALGaP) |
Желтый | 570-590 | 2.1-2,2 | Фосфид арсенида галлия (GaAsP) фосфид галлия (GaP) |
Оранжевый | 590-610 | 2,0-2,1 | Фосфид арсенида галлия (GaAsP) фосфид галлия (GaP) |
Красный | 610-760 | 1,6-2,0 | Арсенид алюминия-галлия (AIGaAs) Фосфид арсенида галлия (GaAP) Фосфид галлия (GaP) |
Инфракрасный | > 760 | > 1.9 | Арсенид галлия (GaAs) Арсенид алюминия-галлия (ALGaAs) |
Фактический цвет светодиода определяется длиной волны излучаемого света, которая, в свою очередь, определяется фактическим полупроводниковым материалом, из которого изготовлен диод. .
Следовательно, цвет света, излучаемого светодиодом, НЕ определяется цветом корпуса светодиода. Он просто увеличивает светоотдачу и указывает его цвет, когда он не освещен.
Напряжение и ток светодиода
Для большинства светодиодов малой мощности типичное падение напряжения составляет от 1.2–3,6 В для токов от 10 до 30 мА. Точное падение напряжения, конечно, будет зависеть от используемого полупроводникового материала, цвета, допуска, а также других факторов.
Поскольку светодиод в основном представляет собой диод, его кривые ВАХ могут быть построены для каждого цвета, как показано ниже.
Если не указано иное, следует учитывать номинальное падение напряжения 2 В и прямой ток 20 мА.
Яркость светодиода
Яркость светодиода напрямую зависит от того, сколько тока он потребляет.Чем больше тока он потребляет, тем ярче будет светодиод.
Яркость светодиода можно регулировать, контролируя количество проходящего через него тока.
Токоограничивающий резистор
Если вы подключите светодиод непосредственно к батарее или источнику питания, он попытается рассеять как можно больше энергии и почти мгновенно выйдет из строя.
Поэтому важно ограничить количество тока, протекающего через светодиод. Для этого используем резисторы. Резистор ограничивает поток электронов в цепи и предотвращает попытки светодиода потреблять слишком большой ток.
Токоограничивающий резистор помещается между светодиодом и источником напряжения следующим образом:
В приведенной выше схеме резистор имеет узловое напряжение VS слева и узловое напряжение VF справа, напряжение на резисторе. разница между двумя напряжениями.
Применяя закон Ома, токоограничивающий резистор рассчитывается как:
Базовый пример
Рассмотрим красный светодиод с прямым падением напряжения 1,8 В, подключенным к источнику питания 5 В постоянного тока.Рассчитайте номинал токоограничивающего резистора, необходимого для ограничения прямого тока примерно до 10 мА.
Решение:
Используя приведенную выше формулу, ток ограничивающий резистор равен:
Это говорит о том, что нам понадобится резистор 320 Ом для ограничения тока до 10 мА. Но 320 Ом не является стандартным предпочтительным значением, поэтому нам нужно будет выбрать следующее по величине значение, которое составляет 330 Ом.
Давайте пересчитаем прямой ток для токоограничивающего резистора 330 Ом:
Мы получили новое значение прямого тока 9.6 мА, что нормально.
Многоцветные светодиоды
Большинство светодиодов излучают только один цветной свет. Однако теперь доступны многоцветные светодиоды, которые могут воспроизводить диапазон разных цветов в одном устройстве. На самом деле это несколько светодиодов, изготовленных в одном корпусе.
Светодиоды RGB
На первый взгляд светодиоды RGB (красный, зеленый, синий) выглядят так же, как обычные светодиоды, однако внутри обычного корпуса светодиодов на самом деле есть три светодиода: один красный, один зеленый и, да, один синий.