Светодиодная лампа: устройство и принцип работы. Светодиоды – как работает, полярность, расчет резистора Строение светодиодной лампы

Современное поколение стремится минимизировать свои расходы. Преимуществом светодиодного светильника является малое потребление электроэнергии. При потребляемой мощности в 10 Вт светодиодная лампа дает такую же освещенность, как лампа накаливания в 100 Вт. Этот показатель также больше в 2 раза, чем в люминесцентных лампах.

Еще одним плюсом является намного больший в сравнении с лампой накаливания рабочий ресурс. Сочетание малого потребления мощности с высокой долговечностью компенсируют высокую стоимость.

В этой статье рассмотрено устройство светодиодной лампы, которая состоит из таких элементов:

рассеиватель;
светодиод;
радиатор;
драйвер;
цоколь.

Устройство и принцип работы

Конструкция светодиодной лампы довольно сложная. Рассмотрим ее строение и назначение основных элементов.

Источником света в светодиодной лампе является светоизолирующий диод, состоящий из полупроводникового кристалла, имеющего два вывода (катод и анод) и оптической системы. Далее по тексту будет использована аббревиатура СД или LED.

Рассмотрим принцип работы светодиодной лампы. При прохождении электрического тока через полупроводник в прямом направлении, носители заряда (электроны и дырки) осуществляют рекомбинацию. В результате этого происходит оптическое излучение фотонов (из-за перехода электронов на другой энергетический уровень).

Также в лампе находится драйвер (специальная микросхема), который обеспечивает питание светодиода. Радиатор (система охлаждения) собирает и выводит излишнее тепло. Рассеиватель минимизирует потери света.

На схемах светодиоды условно обозначаются как диоды со стрелками, которые обозначают оптическое излучение (рис. 2).

Простейшая схема LED-лампы

Особенностью схемы, изображенной на рис. 3, является 2 светодиода, работающих встречно-параллельно. В этом варианте расположения каждый светодиод выполняет защитную функцию. Препятствует поражению обратным напряжением сети другого светодиода, а также увеличивает частоту пульсации LED-лампы до значения 100 Гц. Такой показатель частоты будет благоприятно влиять на ваше зрение.

Один из СД можно заменить на выпрямительный диод, выполняющий защитную функцию. Включается он в схему в направлении заменяемого СД. В этой компоновке элементов частота пульсации СД равняется 25 Гц.
Резистор R1 должен быть мощностью не меньше 5 Вт и сопротивления 10-11 кОм. Тогда протекающий ток в СД будет равен 20 мА. Сопротивление R1 выбирается согласно величине номинального прямого тока СД.
Данную лампу возможно сделать в корпусе испорченной компактной ЛЛ.

Простейшая схема LED-лампы

Строение светодиодных устройств различных фирм-производителей

Устройство СД-ламп напряжением 220 В различных фирм-производителей имеет небольшие отличия. Весь выбор светодиодных ламп условно разделяется на несколько групп: брендовые, низкого качества и филаментные.

Брендовые продукты

Конструктивное исполнение СД-лампы от лидирующих брендов, производящих СД-изделия, обязательно включает в себя:

рассеиватель;
чипы;
печатная плата из алюминия на теплопроводимой пасте (гарант оптимальной температуры режима работы чипов);
драйвер, построенный по схеме гальванически развязанного широтно-импульсного модулятора стабилизатора тока;
основание цоколя, выполненное из полиэтилентерефталата. Работает как надежная защита от пробивания электрическим током;
латунный цоколь с никелевым покрытием. Антикоррозийный материал, создающий надежный контакт с патроном.

LED-лампа в разрезе

Главным видимым отличием лампы из этой группы является объемный радиатор, окрашенный белым полимером. Его поверхность может быть как гладкой, так и ребристой. Если сравнивать такую светодиодную лампу с более дешевыми представителями, то она имеет большую массу.

Материалом рассеивателя может быть стекло или пластик. Неизменной остается его форма – полусфера. Элементами крепежа рассеивателя к радиатору могут послужить защелки или усадка на герметик. Под ним расположена плата с SMD-светодиодами, надежно зафиксированная на радиаторе. Еще ниже размещена плата драйвера. В состав схемы драйвера входят:

импульсный трансформатор,
микросхемы,
полярные конденсаторы,
огромное количество планарных элементов.

Она имеет большую плотность манжета. Драйвер находится под корпусом лампы и является соединителем цоколя и радиатора. Связь блока драйвера с платой осуществляется посредством пайки или контактора.

Изделия низкого качества

Отличительной чертой ламп низкого качества является возможное отсутствие таких элементов, как радиатор и драйвер. Функцию драйвера выполняет простейший блок питания. Он не может преобразовать переменный ток в постоянный. Блок питания расположен в центральной части платы рядом со светодиодами. Перфорация корпуса выполняет роль радиатора в лампе. Из-за малоэффективной функции охлаждения перегрев и выход из строя СД неизбежны.

Крепеж платы к корпусу производится за счет защелки. Электрическое соединение платы с цоколем осуществляется за счет пайки. Эта конструкция является простой, но не может обеспечить надежность и продолжительную работу светодиодным лампочкам.

Филаментные лампы (ФЛ)

Разработка светодиодных ламп не стоит на месте. Следующей новинкой на рынке светотехнических изделий стала филаментная лампа.

Дословно с английского «филамент» означает нить. Визуально эта лампа похожа на лампу накаливания. Отличительной чертой ФЛ является то, что она не требует дополнительного теплоотвода. Ее использование в быту имеет как практическое, так и эстетическое применение.

Подробнее рассмотрим строение филаментной лампы. Количество светодиодных нитей (основных элементов ФЛ) прямо пропорционально мощности лампы. Тонкий стержень из стекла, на котором расположены SMD-светодиоды, имеющие электрическую связь между собой – это и есть филамент. Желтый цвет ФЛ обусловлен нанесенным по всей длине люминофором. Теплоотвод в этом изделии осуществляется через колбу, заполненную газовой смесью.

Нередко фирмы-производители вынуждены располагать низкокачественный модуль питания в цоколе ФЛ. Это связано с недостатками конструкции филаментной лампы, что приводит к увеличению коэффициента пульсации, который отрицательно влияет на зрение. Чтобы устранить этот недостаток, ведется работа над модернизацией конструкции ФЛ. Для размещения драйвера высокого качества делается вставка из пластика в виде кольца. Она располагается между колбой и цоколем.

Устройство и принцип работы светодиодных ламп . Основные части осветительного прибора:

Светодиоды;
- драйвер;
- цоколь;
- корпус.

Принцип его работы полностью повторяет процессы, происходящие в обыкновенном полупроводниковом диоде с p-n переходом из кремния или германия: при подаче положительного потенциала к аноду, а отрицательного к катоду в материалах начинается движение отрицательно заряженных электронов к аноду, а дырок к катоду. В итоге, диод пропускает электрический ток только одного прямого направления.

Однако, светодиод выполнен из других полупроводниковых материалов, которые при бомбардировке в прямом направлении носителями зарядов (электронами и дырками) осуществляют их рекомбинацию с переводом на другой энергетический уровень. В итоге происходит выделение фотонов - элементарных частиц электромагнитного излучения светового диапазона.

Даже в электрических схемах в качестве их обозначений используются обозначения обычных диодов, только с добавлением двух стрелочек, обозначающих излучение света.

Полупроводниковые материалы обладают разными свойствами выделения фотонов. Такие вещества, как арсенид галия (GaAs) и нитрид галлия (GaN), являясь прямозонными полупроводниками, одновременно прозрачны для видимого спектра световых волн. При замене ими слоев p-n перехода происходит выделение света.

Расположение слоев, используемых в светодиоде, показано на рисунке ниже. Их маленькая толщина порядка 10÷15 нм (наномикрон) создается специальными методами химического осаждения из газовой фазы. В слоях размещены контактные площадки для анода и катода.

Как при любом физическом процессе, во время преобразования электронов в фотоны существуют потери энергии, обусловленные следующими причинами:

Часть световых частиц просто теряется внутри даже такого тонкого слоя;
- при выходе из полупроводника возникает оптическое преломление световых волн на границах кристалл/воздух, искажающее длину волны.

Применение специальных мер, например, использование сапфировой подложки, позволяет создать бо́льший световой поток. Такие конструкции применяются для установки в лампы освещения, но не для обычных светодиодов, используемых в качестве индикаторов, показанных на рисунке ниже.

Они имеют линзу, выполненную из эпоксидной смолы и рефлектор для направления света. В зависимости от назначения свет может распространяться в широких диапазонах угла 5-160°.

Дорогие светодиоды, выпускаемые для ламп освещения, производители изготавливают с ламбертовской диаграммой. Это означает, что их яркость постоянна в пространстве, не зависит от направления излучения и угла наблюдения.

Габариты кристалла весьма маленькие и от одного источника можно получить небольшой поток света. Поэтому для ламп освещения такие светодиоды объединяют довольно большими группами. При этом, создать от них равномерное освещение во все стороны весьма проблематично: каждый светодиод является точечным источником.

Частотный спектр световых волн от полупроводниковых материалов значительно уже, чем от обычных ламп накаливания или солнца, что утомляет глаза человека, создает определенный дискомфорт. С целью исправления этого недостатка в отдельные конструкции светодиодов для освещения вводится слой люминофора.

Величина излучаемого светового потока полупроводниковых материалов зависит от тока, проходящего через p-n переход. Чем больше ток, тем выше излучение, но до определенного значения.

Маленькие габариты, как правило, не позволяют использовать токи, превышающие 20 миллиампер для индикаторных конструкций. У мощных осветительных ламп применяется теплоотвод и дополнительные меры защиты, использование которых, однако, строго ограничено.

При запуске световой поток лампы пропорционально возрастает с увеличением тока, но затем из-за образования тепловых потерь начинает снижаться. Следует понимать, что процесс выделения фотонов из проводника не связан с тепловой энергией, светодиоды относятся к источникам холодного света.

Однако, проходящий через светодиод ток в местах контактов различных слоев и электродов преодолевает переходное сопротивление этих участков, вызывающее нагрев материалов. Выделяемое тепло вначале только создает потери энергии, но при увеличении тока может повредить конструкцию.

Количество светодиодных кристаллов, установленных в одну лампу, может превышать сотню работающих элементов. На каждый из них необходимо подвести оптимальный ток. Для этого создают стеклотекстолитовые платы с токопроводящими дорожками. Они могут иметь самую различную конструкцию.

К контактным площадкам плат припаиваются светодиодные кристаллы. Чаще всего их формируют в определенные группы и запитывают последовательно друг с другом. Через каждую созданную цепочку пропускают один и тот же ток.

Такую схему проще реализовать технически, но она обладает одним главным недостатком - при нарушении одного любого контакта вся группа перестает светить, что является основной причиной поломки лампы.

Драйверы . Подвод постоянного напряжения к каждой группе светодиодов выполняется от специального устройства, которое раньше называли блоком питания, а сейчас - термином “драйвер”.

Данное устройство несет функции преобразования входного напряжения сети, например, ~220 Вольт квартирной или 12 Вольт автомобильной сети в оптимальную величину питания каждой последовательной группы.

Подвод одного стабилизированного тока к каждому кристаллу по параллельной схеме технически сложен и применяется в редких случаях. Работа драйвера может проводиться на основе трансформаторной или иной схемы. Среди них распространены следующие варианты. В зависимости от конфигурации и количества примененных элементов они могут быть разными:

Самые простые и дешевые драйверы рассчитаны на питание от стабилизированного напряжения, сеть которого защищена от бросков и импульсов перенапряжений. У них даже может отсутствовать токоограничивающий резистор в выходной цепи питания, что характерно для аккумуляторных фонариков, светодиоды которых зачастую подключены непосредственно к выходу АКБ .

В результате, пиолучается, что они питаются завышенным током и хотя светят довольно ярко, очень часто перегорают. При использовании дешевых ламп с драйверами без защиты от перенапряжений осветительной сети светодиоды тоже часто выгорают, не выработав заявленного ресурса.

Качественно сконструированные блоки питания практически не выделяют тепло при работе, а у дешевых или перегруженных драйверов часть электроэнергии расходуется на нагрев. Причем, такие бесполезные потери электрической мощности могут быть сопоставимы, а в отдельных случаях превышать энергию, расходуемую на выделение фотонов.

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

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

Устройство

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

Стандартный индикаторный светодиод выполнен из следующих частей:

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

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

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

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

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

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

Устройство светодиодов по технологии COB предполагает следующее:

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

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

Принцип действия

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

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

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

Разновидности

На текущий момент LED-диоды могут быть следующих видов:

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

Индикаторные LED-диоды по типу соединения делятся на:

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

По типу корпуса светодиодные элементы могут быть:

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

Применение

Область применений светодиодов условно можно разделить на две широкие категории:

Освещение.
С использованием прямого света.

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

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

Будущее светодиодов

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

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

Типичные характеристики

Светодиоды характеризуются следующими параметрами:

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

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

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

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

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

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

Достоинства и недостатки

Среди достоинств светодиодов можно отметить:

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

Недостатки:

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

Излучающие свет полупроводниковые приборы широко используются для работы систем освещения и в качестве индикаторов электрического тока. Они относятся к электронным устройствам, работающим под действием приложенного напряжения.

Поскольку его величина незначительная, то подобные источники относятся к низковольтным приборам, обладают повышенной степенью безопасности по воздействию электрического тока на организм человека. Риски получения травм возрастают тогда, когда для их свечения используются источники повышенного напряжения, например, бытовой домашней сети, требующие включения в схему специальных блоков питания.

Отличительной чертой конструкции светодиода является более высокая механическая прочность корпуса, чем у ламп «Ильича» и люминесцентных. При правильной эксплуатации они работают долго и надежно. Их ресурс в 100 раз превышает показатели нитей накаливания, достигает ста тысяч часов.

Однако, этот показатель характерен для индикаторных конструкций. У мощных источников для освещения применяются повышенные токи, а срок эксплуатации снижается в 2÷5 раз.

Обычный индикаторный светодиод изготавливают в эпоксидном корпусе с диаметром 5 мм и двумя контактными выводами для подключения к цепям электрического тока: . Визуально они отличаются по длине. У нового прибора без обрезанных контактов катод короче.

Запомнить это положение помогает простое правило: с буквы «К» начинаются оба слова:

Когда же ножки светодиода обрезаны, то анод можно определить подачей на контакты напряжения 1,5 вольта от простой пальчиковой батарейки: свет появляется при совпадении полярностей.

Светоизлучающий активный монокристалл полупроводника имеет вид прямоугольного параллелепипеда. Он размещён около светоотражающего рефлектора параболической формы из алюминиевого сплава и смонтирован на подложке с нетокопроводящими свойствами.

На окончании светового прозрачного корпуса из полимерных материалов расположена линза, фокусирующая световые лучи. Она совместно с рефлектором образует оптическую систему, формирующую угол потока излучения. Его характеризуют диаграммой направленности светодиода.

Она характеризует отклонение света от геометрической оси общей конструкции в стороны, что приводит к увеличению рассеивания. Такое явление возникает из-за появления при производстве небольших нарушений технологии, а также старения оптических материалов во время эксплуатации и некоторых других факторов.

Внизу корпуса может быть расположен алюминиевый или латунный поясок, служащий радиатором для отвода тепла, выделяемого при прохождении электрического тока.

Этот принцип конструкции широко распространен. На его основе создают и другие полупроводниковые источники света, использующие иные формы структурных элементов.

Принципы излучения света

Полупроводниковый переход p-n типа подключают к источнику постоянного напряжения в соответствии с полярностью выводов.

Внутри контактного слоя веществ p- и n-типов под его действием начинается движение свободных отрицательно заряженных электронов и дырок, которые обладают положительным знаком заряда. Эти частицы направляются к притягивающим их полюсам.

В переходном слое заряды рекомбинируют. Электроны проходят из зоны проводимости в валентную, преодолевая уровень Ферми.

За счет этого часть их энергии освобождается с выделением световых волн различного спектра и яркости. Частота волны и цветопередача зависят от вида смешанных материалов, из которых сделан .

Для излучения света внутри активной зоны полупроводника требуется соблюсти два условия:

1. пространство запрещенной зоны по ширине в активной области должно быть близко к энергии излучаемых квантов внутри видимого человеческому глазу диапазона частот;

2. чистоту материалов полупроводникового кристалла необходимо обеспечивать высокую, а количество дефектов, влияющих на процесс рекомбинации — минимально возможным.

Эта сложная техническая задача решается несколькими путями. Один из них — создание нескольких слоев p-n переходов, когда образуется сложная гетероструктура.

Влияние температуры

При увеличении уровня напряжения источника сила тока через полупроводниковый слой возрастает и свечение увеличивается: в зону рекомбинации поступает повышенное количество зарядов за единицу времени. Одновременно происходит нагрев токоведущих элементов. Его величина критична для материала внутренних тоководов и вещества p-n перехода. Излишняя температура способна их повредить, разрушить.

Внутри светодиодов энергия электрического тока переходит в световую непосредственно, без излишних процессов: не так, как у ламп с нитями накаливания. При этом образуются минимальные потери полезной мощности, обусловленные низким нагреванием токопроводящих элементов.

За счет этого создается высокая экономичность этих источников. Но, их можно применять только там, где сама конструкция защищена, блокирована от внешнего нагрева.

Особенности световых эффектов

При рекомбинации дырок и электронов в разных составах веществ p-n перехода создается неодинаковое излучение света. Его принято характеризовать параметром квантового выхода — количеством выделенных световых квантов для единичной рекомбинированной пары зарядов.

Он формируется и происходит на двух уровнях светодиода:

1. внутри самого полупроводникового перехода — внутренний;

2. в конструкции всего светодиода в целом — внешний.

На первом уровне квантовый выход у правильно выполненных монокристаллов может достигать величины, близкой к 100%. Но, для обеспечения этого показателя требуется создавать большие токи и мощный отвод тепла.

Внутри самого источника на втором уровне часть света рассеивается и поглощается элементами конструкции, чем снижает общую эффективность излучения. Максимальное значение квантового выхода здесь намного меньше. У светодиодов, испускающих красный спектр, оно достигает не более 55%, а у синих снижается еще больше — до 35%.

Виды цветовой передачи света

Современные светодиоды излучают:

белый свет.

Желто-зеленый, желтый и красный спектр

В основе p-n перехода используются фосфиды и арсениды галлия. Эта технология была реализована в конце 60-х годов для индикаторов электронных приборов и панелей управления транспортной техники, рекламных щитов.

Такие устройства по светоотдаче сразу обогнали основные источники света того времени — лампы накаливания и превзошли их по надежности, ресурсу и безопасности.

Голубой спектр

Излучатели синего, сине-зеленого и особенно белого спектров долго не поддавались практической реализации из-за трудностей комплексного решения двух технических задач:

1. ограниченных размеров запрещенной зоны, в которой осуществляется рекомбинация;

2. высоких требований к содержанию примесей.

Для каждой ступени повышения яркости синего спектра требовалось увеличение энергии квантов за счет расширения ширины запретной зоны.

Вопрос удалось разрешить включением в вещество полупроводника карбидов кремния SiC или нитридов. Но, у разработок первой группы оказался слишком низкий КПД и маленький выход излучения квантов для одной рекомбинированной пары зарядов.

Повысить квантовый выход помогло включение в полупроводниковый переход твердых растворов на основе селенида цинка. Но, такие светодиоды обладали повышенным электрическим сопротивлением на переходе. За счет этого они перегревались и быстро перегорали, а сложные в изготовлении конструкции отвода тепла для них эффективно не работали.

Впервые светодиод голубого свечения удалось создать при использовании тонких пленок из нитрида галлия, наносимых на сапфировую подложку.

Белый спектр

Для его получения используют одну из трех разработанных технологий:

1. смешивание цветов по методике RGB;

2. нанесение трех слоев из красного, зеленого и голубого люминофора на светодиод ультрафиолетового диапазона;

3. покрытие голубого светодиода слоями желто-зеленого и зелено-красного люминофора.

При первом способе на единой матрице размещают сразу три монокристалла, каждый из которых излучает свой спектр RGB. За счет конструкции оптической системы на основе линзы эти цвета смешивают и получают на выходе суммарный белый оттенок.

У альтернативного метода смешение цветов происходит за счет последовательного облучения ультрафиолетовым излучением трех составляющих слоев люминофора.

Особенности технологий белого спектра

Методика RGB

Она позволяет:

задействовать в алгоритме управления освещением различные комбинации монокристаллов, подключая их поочередно вручную или автоматизированной программой;

вызывать различные цветовые оттенки, меняющиеся по времени;

создавать эффектные осветительные комплексы для рекламы.

Простым примером такой реализации служат . Подобные алгоритмы также широко используют дизайнеры.

Недостатками светодиодов RGB конструкции являются:

неоднородный цвет светового пятна по центру и краям;

неравномерный нагрев и отвод тепла с поверхности матрицы, ведущий к разным скоростям старения p-n переходов, влияющий на балансировку цветов, изменению суммарного качества белого спектра.

Эти недостатки вызваны разным расположением монокристаллов на базовой поверхности. Они сложно устраняются и настраиваются. За счет подобной технологии RGB модели относятся к наиболее сложным и дорогим разработкам.

Светодиоды с люминофором

Они проще в конструкции, дешевле в производстве, экономичнее при пересчетах на излучение единицы светового потока.

Для них характерны недостатки:

в слое люминофора происходят потери световой энергии, которые понижают светоотдачу;

сложность технологии нанесения равномерного слоя люминофора влияет на качество цветовой температуры;

люминофор обладает меньшим ресурсом, чем сам светодиод и быстрее стареет при эксплуатации.

Особенности светодиодов разных конструкций

Модели с люминофором и RGB-изделия создаются для разного промышленного и бытового применения.

Способы питания

Индикаторный светодиод первых массовых выпусков потреблял около 15 мА при питании от чуть меньшей величины, чем два вольта постоянного напряжения. Современные изделия имеют повышенные характеристики: до четырех вольт и 50 мА.

Светодиоды для освещения питаются таким же напряжением, но потребляют уже несколько сотен миллиампер. Производители сейчас активно разрабатывают и проектируют устройства до 1 А.

С целью повышения эффективности светоотдачи создаются светодиодные модули, которые могут использовать последовательную подачу напряжения на каждый элемент. В таком случае его величина возрастает до 12 либо 24 вольт.

При подаче напряжения на светодиод требуется учитывать полярность. Когда она нарушена, то ток не проходит и свечения не будет. Если же используется переменный синусоидальный сигнал, то свечение происходит только при прохождении положительной полуволны. Причем его сила так же пропорционально меняется по закону появления соответствующей величины тока с полярным направлением.

Следует учитывать, что при обратном напряжении возможен пробой полупроводникового перехода. Он происходит при превышении 5 вольт на одном монокристалле.

Способы управления

Для регулировки яркости излучаемого света применяют один из двух методов управления:

1. величиной подключаемого напряжения;

Первый способ простой, но неэффективный. При снижении уровня напряжения ниже определённого порога светодиод может просто потухнуть.

Метод же ШИМ исключает подобное явление, но он значительно сложнее в технической реализации. Ток, пропускаемый через полупроводниковый переход монокристалла, подается не постоянной формой, а импульсной высокой частоты со значением от нескольких сотен до тысячи герц.

За счет изменения ширины импульсов и пауз между ними (процесс называют модуляцией) осуществляется регулировка яркости свечения в широких пределах. Формированием этих токов через монокристаллы занимаются специальные программируемые управляющие блоки со сложными алгоритмами.

Спектр излучения

Частота выходящего из светодиода излучения лежит в очень узкой области. Ее называют монохроматической. Она кардинальным образом отличается от спектра волн, исходящего от Солнца или нитей накаливания обычных осветительных ламп.

О влиянии такого освещения на человеческий глаз ведется много дискуссий. Однако, результаты серьезных научных анализов этого вопроса нам неизвестны.

Производство

При изготовлении светодиодов используется только автоматическая линия, в которой работают станки-роботы по заранее спроектированной технологии.

Физический ручной труд человека полностью исключен из производственного процесса.

Подготовленные специалисты осуществляют только контроль за правильным протеканием технологии.

Анализ качества выпускаемой продукции тоже входит в их обязанности.

В статье освещается вопрос конструкции и принципов действия светодиодов. Отдельное внимание уделяется собранным на их базе лампам, светильникам и механизму включения их в электросеть.

Потребность в проектировании и монтаже внутренних и наружных растет с каждым годом. Использовать для решения таких задач старые, проверенные временем лампы накаливания нецелесообразно: они недолговечны и имеют слишком большое потребление электричества при малой светоотдаче. Их переигрывают так называемые энергосберегающие лампочки, но и здесь есть существенный минус – использование в конструкции токсичных материалов, в первую очередь, ртути. Найти для себя разумную альтернативу можно, изучив, как работает светодиодный светильник. Об этом и пойдет речь в статье.

Что такое светодиод?

Где-то в 1907 году известный в то время изобретатель и экспериментатор англичанин Генри Раунд впервые обнаружил явление, которое впоследствии назвал электролюминесценцией. Изучая особенности распространения электрического тока в различных материалах. В качестве опытной системы была использована пара «металл-карборунд». При подаче напряжения со стороны последнего наблюдалось свечение.

Понятия полупроводников в то время еще не существовало. Но уже тогда ученые наверняка понимали, что была открыта потенциально перспективная . Дело в том, что в обычной лампочке свечение генерируется за счет разогрева вольфрамовой нити. То есть, не сам электрический ток, а температура более 2500 К становится причиной. В вышеупомянутом опыте свет также выделяется при подаче на контакты тока, но температура является не условием, а следствием процесса. Электрическое поле возбуждает атомы, вызывая их рекомбинацию, световое и тепловое излучение.

Между тем, если подробнее изучить вопрос полупроводников, то окажется, что далеко не каждый из них способен работать так, как работает светодиод. Примером является гомогенный p-n-переход, в котором ширина запрещенной зоны часто не соответствует требуемому энергетическому потенциалу. Кроме того, сам кристалл имеет дефекты, количество которых не позволяет провести рекомбинацию идеально.

Гетерогенная структура кристалла, которую удается получить, используя эпитаксиальную технологию. Если проще, то все сводится к его лабораторному выращиванию. Для этого используется специальная сапфировая подложка, которую помещают в камеру. Туда же подается газовая смесь, содержащая необходимые компоненты. При они постепенно оседают на подложке, формируя многослойную структуру. Точность «выращивания» контролируется вплоть до атомного слоя. Помимо активных слоев на этом этапе создаются контактные выходы – для анода и катода.

Структура светодиода

Этот миниатюрный кристалл является основным элементом светодиода, в который также входят:

Основа/подложка . Элемент конструкции, на котором непосредственно монтируется кристалл. Изготавливается из меди или алюминия – материалов с высоким коэффициентом теплопроводности (эффективность теплоотвода является основой нормальной работы полупроводника);
Корпус . Узел, в котором собираются все элементы светодиода. Обеспечивает габаритные и монтажные размеры прибора;
Токопроводящая группа . Комбинация катода и анода, которые с одной стороны соединяются соответствующими выходами на кристалле, а с другой – образуют контактные ножки для ;
Линза . Элемент конструкции, который обеспечивает направленное распространение пучка света;
Люминофор . Вязкий состав, которым покрывается сверху кристалл. В большинстве случаев имеет желтый цвет. Он защищает чип от контакта с окружающей средой, но основная его роль – обеспечение необходимого цвета и яркости излучения.

Последний компонент используется в так называемых белых светодиодах. Дело в том, что собственное излучение материала, из которого изготавливается кристалл, имеет синий, зеленый, желтый или другой цвет, но не белый. При прохождении через люминофор, в последнем также генерируются световые волны, которые в комбинации дают необходимый цвет.

Устройство принцип работы лед лампы

Теперь перейдем к следующей стадии развития технологии – укрупнению отдельных полупроводниковых приборов в макроструктуру. Происходит это путем интеграции отдельных светодиодов на подготовленную с контактной разводкой. Плата, независимо от формы, изготавливается из материалов с хорошей теплопроводностью, например, того же алюминия. Напомним, что тепло, которое выделяется при рекомбинации дырок/электронов, нужно максимально отводить, поскольку, перегрев негативно сказывается на характеристиках прибора и его долговечности.

Интересно! Размещение и напайка светодиодов на плату происходит в специальном роботизированном комплексе с печью. Таким образом, достигается высокая точность, скорость монтажа и точечный нагрев контактных зон, позволяющий исключить термическое повреждение элементов.

Подключив сборку к цепи питания, можно создать . И тот, и другой вариант осветительного прибора представляет собой комбинацию плат со светодиодами. В первом случае вводным элементом является стандартный цоколь, а во втором – провод с вилкой для включения непосредственно в розетку. Такое решение позволяет использовать их в качестве сменных источников освещения в обычных светильниках с изначально установленными лампами накаливания. Общим, для приборов является наличие монтажного теплоотводящего корпуса и насадки – рассеивателя.

Лед драйвер для светодиодных светильников: принцип работы

Рассматривая функционирования осветительных приборов такого типа, нельзя обойти стороной вопрос их питания. Дело в том, что светодиод и собранный на его базе прибор являются низковольтным оборудованием. Чтобы адаптировать его к параметрам работы стандартной сети, нужно использовать специальный вводной элемент – драйвер. Не стоит путать его с обычным блоком питания, который ограничивает напряжение: в случае светодиодов контролировать приходится, как раз, ток. К примеру, если на информационной табличке драйвера указано «300 мА / 3 Вт», то контролируемое напряжение будет равно 10 В. То есть, блок может контролировать систему из любого количества светодиодов, суммарный ток и напряжение которых не превышают этих значений: выше этих параметров на контакты не поступит.

Работа на пониженных токах является одним из механизмов продления срока службы светодиодных светильников. Если руководствоваться им при конкретного устройства, то нужно делать ставку на менее мощное. К примеру, к лампам или светильникам с паспортным током в 350 мА, рекомендуется покупать драйверы, рассчитанные на 300-330 мА.

Есть также отдельная группа драйверов, принцип работы которых базируется на подключении конкретного числа светодиодов. В этом случае придется учитывать не только токовые, но и компоновочные характеристики.