Де використовуються світлодіоди: принцип дії, схеми, приклади тощо.

Світлодіод - діод із простим P-N переходом, головною особливістю якого є те, що він випромінює світло, коли через нього проходить струм. Використовується в багатьох цифрових дисплеях, а також інших типах індикаторних пристроїв.

Принцип роботи світлодіоду

Основні робочі характеристики будь-якого світловипромінюючого діода подібні до характеристик звичайного діода. Коли подається напруга, електрони рухаються від матеріалу N-типу через P-N перехід і з'єднуються з отворами в матеріалі P-типу. У звичайних діодах енергія, що виникає в результаті з'єднання електронів із отворами, виділяється у вигляді тепла. Однак, коли йдеться про світлодіоди, то енергія в них виділяється насамперед у вигляді світла.

Світлодіоди можуть виготовлятися таким чином, що випускатимуть червоне, зелене, блакитне, інфрачервоне або ультрафіолетове світло. Це досягається шляхом зміни кількості та типу матеріалів, які використовуються як присадка. Яскравість світла може змінюватися, що здійснюється за допомогою управління кількістю струму, що проходить через світлодіод. Однак, як і будь-який інший діод, СІД має граничні значення струму, які може витримати.

Де використовуються світлодіоди.

Однією з основних областей застосування світлодіодів є використання їх як сигнальні лампочки. Наприклад, цей прилад може використовуватися для того, щоб проконтролювати чи йде по ланцюгу струм або він знеструмлений.

Ланцюг з сигнальною лампочкою є рядом приладів, послідовно з'єднаних між собою: світлодіод, резистор, вимикач і джерело постійного струму.

Коли вимикач ланцюга з сигнальною лампочкою замкнутий, то напруга прямого зміщення джерела струму подається на світлодіод (який розроблений таким чином, щоб спрацьовувати тільки, коли є пряме зміщення). Електрони, які прориваються через P-N перехід, з'єднуються з отворами, у результаті енергія вивільняється як світла. Резистор, встановлений у цьому ланцюзі, обмежує протікання струму по ній, щоб захистити світлодіод від пошкоджень, які можуть спричинити надмірний струм.

Світлодіоди можуть також використовуватись у цифрових дисплеях, наприклад, у наручному годиннику або калькуляторах.

За допомогою висвічування різних комбінацій із семи елементів на дисплеї можна відображати будь-яку цифру від нуля до дев'яти.

Цифровий дисплей на калькуляторі із семи елементів

Кожен світлодіод з'єднаний послідовно з резистором і вимикачем, де кожен вимикач є зовнішнім керуючим ланцюгом. Вимикачі мають позначення від А до G, щоб відповідати елементам дисплея. Сім послідовних проводів з'єднані паралельно із джерелом постійного струму. Для того, щоб подати живлення на світлодіод, замикається відповідний вимикач. Кожен послідовно включений у ланцюг резистор обмежує струм, що проходить по дроту, і тим самим запобігає пошкодженню світлодіодів від надмірно великого струму.

Схема зовнішнього кола управління для цифрового дисплея калькулятора

Цифри з'являються на цифровому дисплеї внаслідок різних поєднань семи вимикачів. Наприклад, якщо вимикачі А та В замкнуті, відповідні елементи на дисплеї загоряться і утворюють цифру 1.Подібним чином цифра 2 може бути утворена за допомогою вимикачів A, C, D, F і G, які будуть замкнуті одночасно.

Замикаючи відповідні вимикачі в певних комбінаціях, на дисплеї можна отримувати цифри від 0 до 9. Якщо елементи розташувати дещо іншим чином, то на дисплеї можна отримати знак плюса, мінуса, десяткові точки або літери алфавіту.

Світлодіоди можуть використовуватися навіть для забезпечення штучного освітлення для росту рослин. Основними перевагами світлодіодів у цьому випадку є: низьке споживання електрики та тепловиділення, а також можливість налаштування необхідного спектра випромінювання.

Де використовуються світлодіоди.

Винахід перших світлодіодів - напівпровідникових діодів в епоксидній оболонці, що виділяють монохроматичне світло при підключенні до електроструму - відноситься до 1960-х років. Однак до 1980-х низька яскравість, відсутність світлодіодів синього та білого кольорів, а також високі витрати на їх виробництво обмежували їхнє масове застосування як джерела світла. Тому світлодіоди переважно використовували в зовнішніх електронних табло, ними обладнали системи регулювання дорожнього руху, застосовували в оптоволоконних системах передачі даних та медичному устаткуванні.

Поява понад яскравих, а також синіх (у середині 1990-х років) та білих діодів (на початку XXI століття) та постійне зниження їхньої ринкової вартості привернули увагу багатьох виробників до даних джерел світла. Світлодіоди стали використовувати як індикатори режимів роботи електронних пристроїв, у підсвічуванні рідкокристалічних екранів різних приладів, у тому числі - мобільних телефонів та ін.Згодом застосування світлодіодів основних кольорів (червоного, синього та зеленого) дозволило отримувати кольори вивісок фактично будь-яких відтінків, а також конструювати з них дисплеї з виведенням повнокольорової графіки та анімації.

Світлодіоди за рахунок їх малої потреби в електроенергії — оптимальний вибір декоративного освітлення в місцях, де існують проблеми з енергетикою.

Світлодіодні модулі надзвичайно компактні. Різні сувеніри, мініатюрні стенди та компактні табло, прикрашені світлодіодною символікою компанії, виглядають напрочуд виразно і незвично. Частка ринку світлотехнічних виробів, яку займає світлодіоди, становить незначну частку. У розвинених країнах, особливо у великих містах та столицях, вона повільно, але вірно зростає. Своєрідним символом цієї ніжної та неминучої революції стало гігантське 500-метрове полотно зі світлодіодів, що безперервно простяглося над головною вулицею Лас-Вегаса.

Де застосовують світлодіоди?

• - Всі види світлової реклами (вивіски, щити, світлові короби та ін.)
• - Заміна неону
• - Дизайн приміщень

Інші сфери застосування включають підсвічування рідкокристалічних дисплеїв у стільникових телефонах, цифрові камери, а також архітектурне та інші види освітлення. Сектор електронного обладнання включає застосування світлодіодів як індикаторні лампи в промислових і споживчих товарах.

Світлодіод (led) – це напівпровідниковий елемент, у якому під час проходження електричного струму створюється видиме оку оптичне випромінювання. В даний час такі пристрої використовуються практично в будь-якому приладі: телефони, побутова техніка, автомобілі, світильники та багато інших. Led-елементи споживають набагато менше енергії, що важливо для енергозбереження.

Різні типи світлодіодів.

Історія створення світлодіода.

Вона налічує лише трохи більше ста років. Перша згадка про світіння діода відноситься до 1907 року. Англійський фізик Генрі Раунд помітив різнокольорове випромінювання при перебігу електрики через сполуки карбід кремнію-метал. Таке явище отримало назву електролюмінесценція.

Через майже двадцять років у 1923 Цьогоріч російський учений Олег Лосєв проводив подібні експерименти в Нижньому Новгороді. Фізик виявив свічення на місці контакту карбіду кремнію та сталевого дроту. Лосєв опублікував результати своїх досліджень і обґрунтував, що електролюмінесценція спостерігається саме на межі зіткнення різнорідних матеріалів. Теоретичну базу під відкриття підвести не змогли і подальшого розвитку воно не отримало. Хоча Лосєв передбачив використання електролюмінесценції для створення малопотужних та мініатюрних джерел світла. Фізик навіть вигадав конструкцію світлового реле, але далі дослідження не продовжились.

У 1961 році, ще через сорок років, американські винахідники Д. Р. Байард та Г. Піттман придумали технологію випуску світлодіодів з арсеніду галію. У 1962 році вони отримали патент, і розпочався промисловий випуск. Проте, їх led-елемент випускав інфрачервоне випромінювання, тобто не бачили людському оку.

Але того ж 1962 року американський фізик Нік Холоньяк винайшов червоний світлодіод. 1971 року його співвітчизник Жак Панков вигадав синій. А в 1972 році Джордж Крафорд відкрив жовтий led.

Втім, до сімдесятих років XX століття світловипромінюючі діоди залишалися дуже дорогими. Фірма «Монсанто» першій у світі вдалося організувати масове виробництво led як індикатор.

У сімдесятих роках групі радянських учених під керівництвом Ж.Алфьорова вдалося синтезувати невідомі раніше напівпровідникові речовини. Їх почали отримувати на підприємствах та у лабораторіях. А на основі цих з'єднань запустили серійне виготовлення світлодіодів.

У 1983 році Citizen Electronics придумала та впровадила на своїх підприємствах світлодіоди плоскої конструкції (SMD).

У дев'яності роки японські вчені І. Акасакі, Х. Амано та С. Накамура придумали, як значно здешевити виробництво синіх led. Технологію успішно випробувала фірма Nichia із 1993 року. А з 1996 року вони почали виготовлення білих led-елементів, чиє світло виходить із поєднання червоного, синього та зеленого. Надалі з урахуванням відкриття японських вчених почали стрімко розвиватися нові способи виробництва світлової техніки: лампочок, дисплеїв з підсвічуванням та інших приладів.

У 2003 році Citizen Electronics придумали новітню технологію виробництва СОВ (Chip-On-Board). Вона полягає в монтажі напівпровідникового елемента на підкладку за допомогою спеціального клею, що не проводить.

Очевидно, що історія світловипромінюючих діодів лише набирає обертів, а технології стають дедалі досконалішими.

Для створення різних кольорів знадобилося багато часу.

Принцип роботи

Кристал складається з напівпровідникових матеріалів, що розташовані шарами. Світлення з'являється після протікання електрики між межами їхнього дотику. В одному напівпровіднику (n) переважають електрони (негативні частинки), а в іншому (p) – іони – дірки (позитивні частки). Напівпровідникові з'єднання здатні пропускати електрику тільки від p-шару до n-шару, тобто. в один бік.

Схема появи випромінювання.

Під впливом електрики електрони з n-шару та дірки з р-шару починають рухатися до р-n-переходу.Відбувається рекомбінація дірки та електрона – між р-n-кордоном протікає струм. Електрони переходять на нижчий енергетичний рівень з високих орбіталей на нижчі. Звільняється енергія, що випромінюється у вигляді фотонів.

Описаний процес протікає у всіх напівпровідникових діодах. Але довжина хвилі фотона не завжди знаходиться у помітному людському оці спектрі. Для появи видимості необхідний рух елементарних частинок певному інтервалі: від 400 до 700 нм. Це досягається підбором певних хімічних речовин. У кожного є особлива довжина хвилі та колір випромінювання.

Найвдаліші матеріали виходять із сполук типу A III B V та A II B VI де II, III, V та VI – валентності елементів. Наприклад, вже згадуваний арсенід галію, фосфат індію або селенід цинку і телурид кадмію. Подібні сполуки називають прямозонними. Можливе отримання різноманітних світлодіодів: від ультрафіолетових до інфрачервоних.

До іншої групи належать непрямозонні напівпровідники. Це карбід кремнію, сам кремній, германій та інші. Діоди їх світло світять дуже неяскраво. Втім, наукові роботи щодо використання таких речовин продовжуються. Основні пошуки рішення ведуться в галузі технологій квантових точок та фотонних кристалів.

Крім світла при p-n-переході звільняється ще тепло. Для його відведення необхідний тепловідведення (часто в цій ролі виступає корпус виробу) або радіатор.

Види та характеристики світлодіодів.

Світловипромінюючі діоди розрізняють за конструкції корпусу:

1. DIP - Потужні індикаторні циліндричні елементи. Потрібні для підсвічування екранів, індикації, світлових гірлянд.
2. «Пірання» - Чотириконтактний DIP. Вони міцніше тримаються на своєму місці і менше гріються.Потрібні в автомобільній промисловості для підсвічування.
3. SMD - Зовні виглядає, як паралелепіпед. За рахунок своєї надійності та універсальності затребувані у багатьох галузях світлотехнічної промисловості.
4. PCB Star світлодіоди. Різновид SMD.
5. СОВ - Плоский SMD. Новий тип.

Незалежно від виконання корпусу виділяють світлодіоди:

1. Двоколірні. Вони випромінюють одночасно два кольори. Мають три контакти, один з яких загальний.
2. Повнокольорові RGB (червоно-зелений-синій). Виготовляються з трьох напівпровідникових кристалів під загальною лінзою, мають чотири електроди. По одному висновку для кожного напівпровідникового елемента та один загальний висновок. У SMD прилад має шість висновків.

Пропорційне змішування кольорів дає всілякі відтінки світла. Наприклад, при включенні на 100% червоного та зеленого вийде жовтий.

1. Адресні світлодіоди – різновид повнокольорових. Відрізняються від звичайних RGB тим, що включаються за власним індивідуальним кодом. Затребуваний у стрічках, де на адресному світлодіоді можна задати колірний відтінок, що не повторюється. При цьому led-діод має власну адресу, на яку надходять команди від спеціального драйвера, що управляє. Управління кольорами відбувається через мікрочіпи, які вбудовуються поруч із адресними світлодіодами.
2. Надпотужні (надяскраві) світлодіоди – елементи потужністю понад 1 Вт із силою струму від 300 мА. (Потужність звичайних світлодіодів вимірюється найчастіше в міліватах). Такі пристрої світяться дуже яскравим світлом. Використовуються у ліхтариках, фарах, прожекторах тощо.

Також led-елементи поділяються на:

1. Індикаторні – малопотужні.
2. Освітлювальні прилади великої потужності.
3. Інфрачервоні – випромінюють невидимий для людського ока інфрачервоний спектр.

Інфрачервоні діоди. Завдяки спеціально підібраним матеріалам провідників вони випускають невидимі для ока інфрачервоні промені. Вони нешкідливі для живих істот, але помітні для електронних систем реєстрації. Затребувані у багатьох технічних пристроях та верстатах у різноманітних галузях промисловості.

Індикаторні led-діоди. Виступають у ролі індикаторів для техніки, підсвічування дисплеїв тощо. Їх ділять на кшталт використовуваних напівпровідників на:

• подвійні – світять зеленим та помаранчевим;
• потрійні – світять жовтим та помаранчевим;
• потрійні – світять червоним та жовто-зеленим.

Незалежно від виду світлодіоди, характеризуються деякими параметрами.

Колір випромінювання. Зумовлений хімічним складом напівпровідників. Деякі речовини та відповідні кольори позначені в таблиці.

Яскравість. Вона пропорційна силі струму, що тече крізь елемент. Серед led-діоди, які світять білим світлом, виділяють яскраві (20-25 мілікандел) та надяскраві (понад 20 тисяч мілікандел).

Сила струму. Світлодіоди дуже чутливі до сили струму. При перевищенні її значення вище від номінального led може перегоріти. Тому не рекомендується перевищувати максимальний прямий струм елемента. Точні значення конкретного світлодіода наводяться в технічному описі.

Падіння напруги. Характеризує допустиму різницю між величинами вхідної та напруги, що виходить. Значення напруги для світлодіодів має максимальне значення, перевищення якого призведе до поломки led. Значення вказуються у технічному описі.

Полярність. Оскільки струм у світлодіоді тече тільки від p-шару до n-шару, для запобігання поломкам стоїть полярність. Зазвичай її визначають на вигляд, маркування або особливим позначкам на корпусі.(Докладніше дивіться у статті «визначення полярності»). Також дізнатися про полярність можна з технічної документації.

Кут розсіювання світла. Визначається формою лінзи, конструкцією кристала та від використовуваних для виготовлення кристала речовин. Може змінюватись від 15 до 180 градусів.

Влаштування світлодіода.

Led-діод складається з напівпровідникового кристала, який закріплений на підкладці, корпуси з контактами та оптичної системи.

Пристрої індикаторних (DIP), плоских (SMD) та СОВ елементів різняться зовні.

Конструктивний пристрій DIP.

DIР-світлодіод у розрізі.

На основі приладу монтуються контакти. Кристал (один або кілька) закріплений на катоді. До кристалу приєднується дріт. Вона з'єднує напівпровідники з анодом. Це необхідно для угруповання двох провідників з різними типами провідності. Зверху led-елемент герметично покривається лінзою. Корпус пристрою виготовляється як циліндра з епоксидної смоли, край якого обрізаний із боку катода. Монтаж led-елемента відбувається шляхом паяння довгих висновків.

Конструктивний пристрій SMD.

SMD-світлодіод у розрізі.

Корпус виготовляється паралелепіпедом. Його основа – тепловідведення від кристала. На неї монтується напівпровідниковий елемент. Контактний провід з'єднує його з анодом. Контакти виконуються пласкими. Зверху елемент герметично накривається лінзою.

Конструктивний пристрій СОВ.

COB-технологія – новий напрямок у виробництві.

Такі світловипромінюючі діоди мають в основі теплопровідну підкладку (зазвичай алюмінієву). На неї непровідним клеєм закріплюють напівпровідникові кристали, які об'єднані за послідовно-паралельною схемою. Зверху все покривається люмінофором.

Такий тип led легко монтується, видає добрий світловий потік і не спотворює кольори. Затребувані у виробництві невеликих, яскравих прожекторів та декоративного підсвічування. На відміну від DIP та SMD здатні працювати при підвищених температурах. Але через власний пристрій мають менший термін експлуатації в порівнянні.

Якщо на одній підкладці змонтовано безліч кристалів, такий led-елемент називається світлодіодною матрицею.

Конструктивний пристрій PCB Star.

Складається з одного великого кристала, що монтується на алюмінієву підкладку у формі зірки. За рахунок збільшеної площі кристала підвищується потужність світлодіода. Спрощується його фокусування. Тому РCB Star потрібні у виробництві яскравих джерел світла: від ліхтариків до прожекторів.

Вольт-амперна характеристика світлодіода.

Вона має нелінійний характер. Led починає пропускати струм із певного значення напруги. Воно називається пороговим. Пороговий вольтаж визначається хімічними сполуками напівпровідників.

Синя крива описує перебіг електрики при прямому включенні. Червона крива – при зворотному включенні.

U_MAX та U_MAXОБР – гранично допустимі значення напруги. При перевищенні елемент згоряє.

U_MIN - Мінімальна величина напруги. Починається свічення.

Інтервал між мінімальним та максимальним – робоча зона. Саме в ній діод світловипромінюється.

I_MAX - Граничне допустиме значення струму. У разі перевищення світлодіод перегорає.

Підключення світлодіоду.

Найпростішим випадком підключення світлодіода є підключення із резистором. Останній необхідний для струмообмеження, щоб унеможливити перегорання led при стрибках напруги.

При підключенні led-елементів за будь-якою схемою не забувайте дотримуватись полярності! Інакше напівпровідниковий прилад не світитиме і перегорить.

Електрична схема з'єднання світлодіода (LED) та резистора (R).

При з'єднанні кількох світловипромінюючих діодів можливі різні варіанти їхнього з'єднання.

Послідовне підключення.

Схема послідовної сполуки.

Елементи з'єднуються послідовно з урахуванням полярності. У ланцюзі значення струму постійно, а напруга на led-елементах підсумовується.

Паралельне з'єднання.

Схема паралельного з'єднання світлодіодів через резистор.

В цьому випадку постійним у ланцюзі зберігається напруга, а сили струму на елементах складаються. Цей тип сполуки має недолік. На різних світлодіодах можливо різне падіння напруги. Тому струм на якомусь елементі може перевищити допустимий, що призведе до поломки.

Щоб уникнути цього, слід підключати до кожного паралельного ланцюга свій резистор.

Схема паралельного підключення.

Паралельно-послідовне з'єднання.

При підключенні великої кількості світлодіодів слід використовувати паралельно-послідовну електричну схему. При цьому в паралельних гілках напруга однакова.

Електрична схема паралельно-послідовного з'єднання.

Виробники світлодіодів

У рейтингу виробників лідирують кілька фірм зі світовим ім'ям. Саме вони випускають якісні вироби на ринку.

1. Philips. Мабуть, виробник, із найвідомішим ім'ям. Під цією маркою випускається безліч виробів від лампочок до телефонів. Фірма має заводи більш як у шістдесяти країнах. Активно вкладається у нові розробки.Купує інші, дрібніші заводи та виробництва, які виготовляють світлодіоди.
2. Cree. Американська фірма, яка розпочинала свій шлях із виробництва чіпів для телефонів. Спеціалізується на виробництві led виробів різного призначення. РРаРозробили та випускають світлодіоди з карбіду кремнію, які яскраво світять.
3. Нічія. Японська фірма. Одна із найстаріших у галузі виготовлення світлодіодної техніки. Саме вона розробила та впровадила випуск синіх та білих кольорів led. Спеціалізується на виробництві кристалів. Лідер на ринку з доходів від продажу.
4. Osram. Німецький виробник. Працює понад сто років у парі із Siemens. Випускає світловипромінюючі діоди, які відповідають світовим стандартам якості.

З російських виробників можна відзначити "Оптоган" та "Світлана-Оптоелектроніка". Обидві фірми розташовуються в Санкт-Петербурзі та виробляють світлотехнічні вироби. Проте кристали для випуску продукції закуповуються за кордоном.

Колірне маркування.

Маркування led у світі не стандартизовано. Виробник сам вирішує, що він позначатиме на корпусі.

Світлодіоди вітчизняного виробництва маркуються колірним кодом. Він складається з кольорових кружечків або рисочок. Приклади маркування наведено нижче на малюнку.

Колірне маркування російських індикаторних світлодіодів.

Розглянемо маркування відомих світових виробників.

Як приклад візьмемо модель Luxeon Rebel. Вона маркується LXML-ABCD-EFGH. У цій абревіатурі зашифровано наступне:

• LXML – серія;
• ABC – інформація про світло: як розподіляється, колірна температура;
• D – величина струму;
• E – запасна буква на майбутні моделі;
• FGH – яскравість (у люменах).

Фірма пропонує позначення SSSCCC-BD-0000-NNNNN, де:

• SSS – серія;
• CCC – опис кольору:
• BD – індекс кольору:
• 0000 – код виробника;
• NNNNN – індивідуальний номер за колірною температурою та яскравістю. Варто уточнити у технічному описі.

Переваги та недоліки світлодіодів

• Висока механічна та вібраційна стійкість.
• Невеликий розігрів.
• Маленькі габаритні розміри, легкий
• Довговічність.
• Низьке енергоспоживання та потужність.
• Можливість регулювання інтенсивності свічення.
• Високі декоративні якості: різноманітність кольорів та відтінків світіння.
• Безінерційність: включаються відразу на повну потужність.
• Можливість роботи за низьких температур.
• Найнижча ціна індикаторних світлодіодів.
• Безпека: низькі робочі значення напруги та струму.

• Висока ціна SMD.
• Погіршення з часом якості кристалу: чим довше світлодіод працює, тим він тьмяніший.
• Підвищені вимоги до джерела живлення.
• Неприпустимі навіть невеликі перевищення мінімальних та максимальних значень електричних параметрів.

Цікаві факти.

Одержання білого кольору. Є три варіанти. Перший – за технологією RGB. Увімкнення всіх трьох кольорів на 100% дає білий колір. У другому випадку на лінзу наносять три люмінофори: блакитний, червоний та зелений. Третій варіант полягає у нанесенні червоного та зеленого люмінофора на оптичну систему блакитного світлодіода.

Робота за підвищених температур. Зі зростанням температури області p-n-переходу зменшується яскравість світіння. Причому у червоних та жовтих падіння яскравості більше, ніж у синіх та зелених. Тому важливо використовувати хороше тепловідведення і не допускати експлуатації led при підвищених температурах.

Як готують напівпровідники? В основному за технологією металоорганічної епітаксії в атмосфері особливо чистих газів. Вирощуються плівки завтовшки від ангстремів до мікронів.Різні шари легуються домішками, які дадуть шару високу концентрацію електронів чи дірок, тобто сформують n чи p структуру напівпровідника. Навіщо плівки труять, створюють контакти до n і p шарів і поділяють на чіпи потрібних розмірів.

Чим гарна СОВ-технологія? Тим, що кристали монтуються на металеву підкладку, яка виконує одночасно функції радіатора. Таким чином отримують відмінне тепловідведення безпосередньо від напівпровідникового кристала. Додатково можна отримати різну форму світлодіода, різну гнучкість та ін.

Світлодіоди для людства стали одним із найпоширеніших джерел світла для промислових та побутових потреб. Цей напівпровідниковий прилад має один електричний перехід, він перетворює електроенергію на енергію видимого світлового випромінювання. Явище відкрито Генрі Джозефом Раундом 1907 року. Перші експерименти було поставлено радянським фізиком-експериментатором О.В. Лосєвим, якому в 1929 вдалося отримати робочий прототип сучасного світлодіода.

Перші сучасні світлодіоди (СД, СІД, LED) були створені на початку шістдесятих років. У них було слабке червоне свічення, їх застосовували як індикатори включення в різних приладах. У 90-х з'явилися сині, жовті, зелені та білі світлодіоди. Їх стали випускати у промислових масштабах багато компаній. Сьогодні LED-діоди застосовуються повсюдно: у світлофорах, лампочках, автомобілях тощо.

Пристрій

Світлодіод представляє напівпровідниковий прилад з електронно-дірковим переходом, який створює оптичне випромінювання при проходженні струму в прямому напрямку.

Стандартний індикаторний світлодіод виконаний із таких частин:

1 - Епоксидна лінза
2 — Дротовий контакт
3 - Відбивач
4 — Напівпровідник (Визначає колір свічення)
5 і 6 - Електроди
7 - Плоский зріз

В основі світлодіода закріплюються катод та анод. Весь пристрій зверху герметично закритий лінзою. На катоді встановлено кристал. На контактах є провідники, які приєднані до кристала p-n-переходом (дрот з'єднання для об'єднання двох провідників з різними типами провідності). Для створення стабільної роботи світлодіода застосовується тепловідведення, яке необхідне для освітлювальних приладів. В індикаторних приладах тепло не має вирішального значення.

DIP-діоди мають висновки, які монтуються в отвори друкованої плати, вони за допомогою паяння приєднуються до електричного контакту. Є моделі з кількома кристалами різного кольору на одному корпусі.

SMD-Світлодіоди сьогодні є найбільш затребуваними джерелами світла будь-яких форматів.

• Основа корпусу, куди кріпиться кристал, є чудовим провідником тепла. Завдяки цьому в рази покращало відведення тепла від кристала.
• У структурі білих світлодіодів між лінзою та напівпровідником є ​​шар люмінофора, який нейтралізує ультрафіолет та задає необхідну колірну температуру.
• У SMD-компонентах, що мають широкий кут випромінювання, відсутня лінза. При цьому сам світлодіод виділяється формою паралелепіпеда.

Chip-On-Board (COB) представляють новітнє практичне досягнення, яке має зайняти у штучному освітленні лідерство у створенні білих світлодіодів.

Влаштування світлодіодів за технологією COB передбачає наступне:

• На алюмінієву основу за допомогою діелектричного клею кріплять десятки кристалів без підкладки та корпусу.
• Отримана матриця покривається загальним шаром люмінофора.У результаті виходить джерело світла, що має рівномірний розподіл світлового потоку без можливості появи тіней.

Різновидом Chip-On-Board є Chip-On-Glass (COG) технологія, що передбачає розміщення на поверхні зі скла безлічі дрібних кристалів. Наприклад, це філаментні лампи, де випромінюючим елементом є скляний стрижень зі світлодіодами, які вкриті люмінофором.

Принцип дії

Незважаючи на технологічні особливості та різновиди, робота всіх світлодіодів ґрунтується на загальному принципі функціонування випромінюючого елемента:

• Перетворення електроенергії в світловий потік здійснюється в кристалі, який виконаний з напівпровідників з різним типом провідності.
• Матеріал з n-провідністю забезпечують шляхом легування його електронами, а матеріал з p-провідністю за допомогою дірок. У результаті суміжних шарах з'являються додаткові носії заряду різної спрямованості.
• При подачі прямої напруги стартує рух електронів, також дірок до p-n-переходу.
• Заряджені частинки проходять бар'єр і починають рекомбінувати, тому протікає електричний струм.
• Процес рекомбінації електрона та дірки у зоні p-n-переходу йде виділенням енергії як фотон.

Загалом, зазначене фізичне явище властиве всім напівпровідниковим діодам. Однак довжина хвилі фотона в більшості випадків розташовується поза видимого спектра випромінювання. Щоб елементарна частка рухалася в діапазоні 400-700 нм, вчені проводили безліч дослідів та експериментів з різними хімічними елементами. У результаті з'явилися нові сполуки: фосфід галію, арсенід галію і складніші форми. Кожна з них має свою довжину хвилі, тобто свій колір випромінювання.
До того ж, крім корисного світла, що випромінює світлодіод, на p-n-переході утворюється деяка кількість теплоти, яка зменшує ефективність напівпровідникового приладу. Саме тому в конструкції потужних світлодіодів передбачається ефективне відведення тепла.

Різновиди

На даний момент LED-діоди можуть бути наступними видами:

• Освітлювальні, тобто з великою потужністю. Їх рівень освітленості дорівнює вольфрамовим та люмінесцентним джерелам світла.
• Індикаторні – з невеликою потужністю, їх застосовують для підсвічування у приладах.

Індикаторні LED-діоди за типом з'єднання поділяються на:

• Подвійні GaP (галій, фосфор) – мають зелене та помаранчеве світло у структурі видимого спектру.
• Потрійні AIGaAs (алюміній, миш'як, галій) – мають жовте та помаранчеве світло у структурі видимого спектру.
• Потрійні GaAsP (миш'як, галій, фосфор) – мають червоне та жовто-зелене світло у структурі видимого спектру.

За типом корпусу світлодіодні елементи можуть бути:

• DIP - Застаріла модель низької потужності, їх застосовують для підсвічування світлових табло та іграшок.
• "пірання" або Superflux – аналоги DIP, але із чотирма контактами. Вони використовуються для підсвічування в автомобілях, менше нагріваються і краще кріпляться.
• SMD - Найпоширеніший тип, що застосовуються в безлічі джерел світла.
• COB – це вдосконалені світлодіоди SMD.

Застосування

Область застосування світлодіодів умовно можна розділити на дві широкі категорії:

Світлодіод у освітленні застосовується для освітлення об'єкта, простору або поверхні замість того, щоб бути безпосередньо видимим. Це інтер'єрне підсвічування, ліхтарики, освітлення фасадів будівель, освітлення в автомобілях, підсвічування клавіш мобільних телефонів та дисплеїв тощо.Широке застосування LED-діоди знаходять у комунікаторах та стільникових телефонах.

Пряме світлодіодне світло застосовується для передачі інформації, наприклад, у повнокольорових відео дисплеях, в яких LED-діоди формують пікселі дисплея, а також в алфавітно-цифрових табло. Пряме світло також застосовується сигнальних пристроях. Наприклад, це індикатори повороту та стоп-сигнали автомобілів, світлофори та знаки.

Майбутнє світлодіодів

Вчені створюють світлодіоди нового покоління, наприклад, на основі тонких нано-кристалічних плівок з перовскіту. Вони дешеві, ефективні та довговічні. Дослідники сподіваються, що такі LED-діоди застосовуватимуться замість звичайних екранів ноутбуків та смартфонів, у тому числі у побутовому та вуличному освітленні.

Створюються і волоконні LED-діоди, які призначені для створення дисплеїв, що носяться. Вчені вважають, що створюваний метод виробництва волоконних світлодіодів дозволить налагодити масовий випуск і зробити інтеграцію електроніки, що носиться, в одяг і текстиль абсолютно недорогий.

Типові характеристики

Світлодіоди характеризуються такими параметрами:

• Колірна характеристика.
• Довжина хвилі.
• Сила струму.
• Напруга (тип напруги, що застосовується).
• Яскравість (інтенсивність світлового потоку).

Світлодіодна яскравість пропорційна струму, що протікає через нього, тобто чим напруга буде вище, тим буде більше яскравість. Одиницею сили світла є люмен на стерадіан, вона також вимірюється в міліканделах. Бувають яскраві (20-50 мкд.), а також надяскраві (20000 мкд. і більше) LED-діоди білого світіння.

Величина падіння напруги – характеристика допустимих значень прямого та зворотного включень. Якщо подача напруг вище цих значень, спостерігається електричний пробій.

Сила струму визначає яскравість свічення. Сила струму освітлювальних елементів зазвичай дорівнює 20 мА, для індикаторних світлодіодів вона становить 20-40 мА.

Колір випромінювання світлодіода залежить від активних речовин, внесених до напівпровідникового матеріалу.

Довжина хвилі світла визначається різницею енергій під час переходу електронів на етапі рекомбінації. Вона визначається легуючими домішками та вихідним напівпровідниковим матеріалом.

Переваги та недоліки

Серед переваг світлодіодів можна відзначити:

• Мале споживання електроенергії.
• Довгий термін служби, який вимірюється 30-100 тисячами годин.
• Висока світловіддача. Світлодіоди дають 10-250250 люменів світлового потоку на ват потужності.
• Немає отруйної пари ртуті.
• Широке застосування.

Недоліки:

• Низькі характеристики у неякісних світлодіодів, створених невідомими виробниками.
• Порівняно висока ціна якісних світлодіодів.
• Необхідність якісних джерел живлення.

Схожі теми:

Світлодіод: пристрій, принцип роботи, переваги

Інтерес до світлодіодів зростає швидше, ніж територія їх застосування у світлотехніці. Виробники та споживачі, продавці та покупці — усі начебто завмерли на старті, боячись відстати від інших. І тільки дизайнери вже користуються унікальними можливостями світлодіодів. Давно минув той час, коли світлодіоди були цікаві лише вченим. Тепер світлодіодна тема у всіх на слуху. Говорять, за ними майбутнє.

Світлодіоди випромінюють не тільки унікальне за своїми характеристиками світло, а й завидний оптимізм щодо свого місця на ринку світлотехніки. Особливо активно експансія LED розгортається в області інтер'єрного оформлення та світлодизайну.

Справжня публікація не випадково побудована у формі запитань і відповідей (FAQ, frequently asked questions — питання, що часто ставляться). Саме так зацікавлена ​​людина підходить до нового для неї об'єкта, аби «помацати» її з різних боків і вже потім вирішити: потрібна — не потрібна. А мені ставити правильні питання та знаходити на них вірні відповіді допомагав професор МДУ Олександр Еммануїлович Юнович, один із провідних російських фахівців із світлодіодів.

1. Що таке світлодіод?

Світлодіод - це напівпровідниковий прилад, що перетворює електричний струм безпосередньо на світлове випромінювання. До речі, англійською світлодіод називається light emitting diode, або LED.

2. З чого складається світлодіод?

З напівпровідникового кристала на підкладці, корпуси з контактними висновками та оптичної системи. Сучасні світлодіоди мало схожі перші корпусні світлодіоди, застосовувалися для індикації.

Мал. 1. Конструкція світлодіода Luxeon фірми Lumileds Lighting.

3. Як працює світлодіод?

Світлення виникає при рекомбінації електронів та дірок у ділянці p-n-переходу. Отже, передусім потрібен p-n-переход, тобто контакт двох напівпровідників із різними типами провідності. Для цього приконтактні шари напівпровідникового кристала легують різними домішками: з одного боку акцепторними, з іншого — донорськими.

Але не всякий p-n-перехід випромінює світло. Чому? По-перше, ширина забороненої зони в активній області світлодіода повинна бути близькою до енергії квантів світла видимого діапазону. По-друге, ймовірність випромінювання при рекомбінації електронно-діркових пар має бути високою, для чого напівпровідниковий кристал повинен містити мало дефектів, через які рекомбінація відбувається без випромінювання.Ці умови тією чи іншою мірою суперечать одна одній.

Реально, щоб дотриматись обох умов, одного р-п-переходу в кристалі виявляється недостатньо, і доводиться виготовляти багатошарові напівпровідникові структури, так звані гетероструктури, за вивчення яких російський фізик академік Жорес Алфьоров отримав Нобелівську премію 2000 року.

4. Чи це означає, що чим більший струм проходить через світлодіод, тим він світить яскравіше?

Зрозуміло, так. Адже що більше струм, то більше вписувалося електронів і дірок надходять у зону рекомбінації за одиницю часу. Але струм не можна збільшувати до безкінечності. Через внутрішній опір напівпровідника і p-n-переходу діод перегріється і вийде з ладу.

5. Чим гарний світлодіод?

У світлодіоді, на відміну від лампи розжарювання або люмінесцентної лампи, електричний струм перетворюється безпосередньо на світлове випромінювання, і теоретично це можна зробити майже без втрат. Справді, світлодіод (при належному тепловідведення) мало нагрівається, що робить його незамінним для деяких програм. Далі світлодіод випромінює у вузькій частині спектру, його колір чистий, що особливо цінують дизайнери, а УФ- та ІЧ-випромінювання, як правило, відсутні. Світлодіод механічно міцний і винятково надійний, його термін служби досягає 100 тисяч годин, що у 100 разів більше, ніж у лампочки розжарювання, і в 10 разів більше, ніж у люмінесцентної лампи. Нарешті, світлодіод - низьковольтний електроприлад, а отже, безпечний.

6. Чим поганий світлодіод?

Тільки одним – ціною. Поки що ціна одного люмена, випромінюваного світлодіодом, у 100 разів вища за галогенну лампу. Але фахівці стверджують, що у найближчі 2-3 роки цей показник буде знижено у 10 разів.

7. Коли світлодіоди почали застосовувати для освітлення?

Спочатку світлодіоди застосовувалися виключно для індикації. Щоб зробити їх придатними для освітлення, необхідно було перш за все навчитися виготовляти білі світлодіоди, а також збільшити їхню яскравість, а точніше світловіддачу, тобто відношення світлового потоку до споживаної енергії.

У 60-х і 70-х роках були створені світлодіоди на основі фосфіду та арсеніду галію, що випромінюють у жовто-зеленій, жовтій та червоній областях спектру. Їх застосовували у світлових індикаторах, табло, приладових панелях автомобілів та літаків, рекламних екранах, різних системах візуалізації інформації. По світловіддачі світлодіоди випередили звичайні лампи розжарювання. За довговічністю, надійністю, безпекою вони теж їх перевершили. Одне було погано – не існувало світлодіодів синього, синьо-зеленого та білого кольору.

До кінця 80-х років у СРСР випускалося понад 100 млн. світлодіодів на рік, а світове виробництво становило кілька десятків мільярдів.

8. Від чого залежить колір світлодіоду?

Виключно від ширини забороненої зони, в якій рекомбінують електрони та дірки, тобто від матеріалу напівпровідника та від легуючих домішок. Чим «синій» світлодіод, тим вища енергія квантів, а отже, тим більше має бути ширина забороненої зони.

9. Які труднощі довелося подолати вченим, щоб зробити блакитний світлодіод?

Блакитні світлодіоди можна зробити на основі напівпровідників з великою шириною забороненої зони - карбіду кремнію, сполук елементів II та IV групи або нітридів елементів III групи. (Пам'ятаєте таблицю Менделєєва?)

У світлодіодів на основі SiC виявився занадто малий ККД і низький квантовий вихід випромінювання (тобто кількість випромінюваних квантів на одну пару, що рекомбінувала).У світлодіодів на основі твердих розчинів цинку селеніду ZnSe квантовий вихід був вище, але вони перегрівалися через великий опір і служили недовго. Залишалася надія на нітриди.

Нітрид галію GaN плавиться при 2000 °З, при цьому рівноважний тиск парів азоту становить 40 атмосфер; ясно, що вирощувати такі кристали непросто. Аналогічні сполуки – нітрили алюмінію та індія – теж напівпровідники. Їхні сполуки утворюють потрійні тверді розчини з шириною забороненої зони, яка залежить від складу, який можна підібрати так, щоб генерувати світло потрібної довжини хвилі, у тому числі і синій. Але проблему не вдавалося вирішити до кінця 80-х років.

Першим, ще в 70-х, блакитний світлодіод на основі плівок нітриду галію на сапфіровій підкладці вдалося отримати професору Жаку Панкову (Якову Ісаєвич Панчечникову) з фірми IBM (США). Квантовий вихід був достатній для практичних застосувань, проте керівництво сказало: «Ну, це ж на сапфірі — дорого і не так уже й яскраво, до того ж p-n-перехід нехороший…» — і роботи Панкова не підтримали.

Тим часом група Сапаріна та Чукичова з МДУ виявила, що під дією електронного пучка GaN із домішкою цинку стає яскравим люмінофором, і навіть запатентувала пристрій оптичної пам'яті. Але тоді загадкове явище пояснити не вдалося.

Це зробили японці - професор І. Акасакі та доктор X. Амано з університету Нагоя. Обробивши плівку GaN з домішкою магнію електронним пучком зі скануванням, вони отримали яскраво люмінесцентний шар р-типу з високою концентрацією дірок. Проте розробники світлодіодів не звернули належної уваги їх публікації.

Лише 1989 року доктор Ш.Накамура із фірми Nichia Chemical, досліджуючи плівки нітридів елементів III групи, зумів скористатися результатами професора Акасакі. Він так підібрав легування (Мд, Zn) та термообробку, замінивши нею електронне сканування, що зміг отримати ефективно інжектуючі шари р-типу в GaN-гетероструктурах. Ось як було отримано блакитний світлодіод.

Фірма Nichia запатентувала ключові етапи технології і до кінця 1997 випускала вже 10-20 млн блакитних і зелених світлодіодів на місяць, а в січні 1998 приступила до випуску білих світлодіодів.

10. Що таке квантовий вихід світлодіоду?

Квантовий вихід - це число випромінюваних квантів світла на одну електроннодирочну пару, що рекомбінувала. Розрізняють внутрішній та зовнішній квантовий вихід. Внутрішній - у самому p-n-переході, зовнішній - для приладу в цілому (адже світло може губитися "по дорозі" - поглинатися, розсіюватися). Внутрішній квантовий вихід для хороших кристалів із хорошим тепловідведенням досягає майже 100%, рекорд зовнішнього квантового виходу для червоних світлодіодів становить 55%, а для синіх – 35%.

Зовнішній квантовий вихід – одна з основних характеристик ефективності світлодіода.

11. Як отримати біле світло з використанням світлодіодів?

Існує три способи одержання білого світла від світлодіодів. Перший – змішування кольорів за технологією RGB. На одній матриці щільно розміщуються червоні, блакитні та зелені світлодіоди, випромінювання яких поєднується за допомогою оптичної системи, наприклад лінзи. В результаті виходить біле світло. Другий спосіб полягає в тому, що на поверхню світлодіода, що випромінює в ультрафіолетовому діапазоні (є і такі), наноситься три люмінофори, що випромінюють, відповідно, блакитне, зелене та червоне світло.Це схоже на те, як світить лампа люмінесцентна. І, нарешті, у третьому способі жовто-зелений або зелений плюс червоний люмінофор наносяться на блакитний світлодіод, так що два чи три випромінювання змішуються, утворюючи біле або близьке до білого світло.

12. Який із трьох способів краще?

Кожен спосіб має свої переваги і недоліки. Технологія RGB в принципі дозволяє не тільки отримати білий колір, але й переміщатися по діаграмі кольору при зміні струму через різні світлодіоди. Цим процесом можна керувати вручну або за допомогою програми, також можна отримувати різні колірні температури. Тому RGB-матриці широко використовуються у світлодінамічних системах. Крім того, велика кількість світлодіодів у матриці забезпечує високий сумарний світловий потік та велику осьову силу світла. Але світлова пляма через аберації оптичної системи має неоднаковий колір у центрі та по краях, а головне, через нерівномірне відведення тепла з країв матриці та з її середини світлодіоди нагріваються по-різному, і, відповідно, по-різному змінюється їх колір У процесі старіння - сумарні колірна температура і колір «пливуть» під час експлуатації. Це неприємне явище досить складно та дорого компенсувати.

Білі світлодіоди з люмінофорами істотно дешевші, ніж світлодіодні RGB-матриці (у перерахунку на одиницю світлового потоку), і дозволяють отримати хороший білий колір. І для них у принципі не проблема потрапити до точки з координатами (0.33, 0.33) на колірній діаграмі МКО.Недоліки такі: по-перше, у них менше, ніж у RGB-матриць, світловіддача через перетворення світла в шарі люмінофора; по-друге, досить важко точно проконтролювати рівномірність нанесення люмінофора в технологічному процесі та, отже, колірну температуру; і нарешті по-третє, люмінофор теж старіє, причому швидше, ніж сам світлодіод. Промисловість випускає як світлодіоди з люмінофором, так і RGB-матриці - у них різні сфери застосування.

13. Які електричні та оптичні характеристики світлодіодів?

Світлодіод – низьковольтний прилад. Звичайний світлодіод, який використовується для індикації, споживає від 2 до 4 В постійної напруги при струмі до 50 мА. Світлодіод, який використовується для освітлення, споживає таку ж напругу, але струм вище від кількох сотень мА до 1А в проекті. У світлодіодному модулі окремі світлодіоди можуть бути включені послідовно і сумарна напруга виявляється більш високою (зазвичай 12 або 24 В).

При підключенні світлодіода необхідно дотримуватися полярності, інакше прилад може вийти з ладу. Напруга пробою вказується виробником і зазвичай становить понад 5В одного світлодіода. Яскравість світлодіода характеризується світловим потоком та осьовою силою світла, а також діаграмою спрямованості. Існуючі світлодіоди різних конструкцій випромінюють у тілесному куті від 4 до 140 градусів. Колір, як завжди, визначається координатами кольоровості та колірною температурою, а також довжиною хвилі випромінювання.

Для порівняння ефективності світлодіодів між собою та з іншими джерелами світла використовується світловіддача: величина світлового потоку на один ват електричної потужності. Також цікавою маркетинговою характеристикою є ціна одного люмена.

14.Як реагує світлодіод на підвищення температури?

Говорячи про температуру світлодіода, необхідно розрізняти температуру поверхні кристала й у області p-n-перехода. Від першої залежить термін служби, від другої – світловий вихід. Загалом із підвищенням температури p-n-переходу яскравість світлодіода падає, тому що зменшується внутрішній квантовий вихід через вплив коливань кристалічних ґрат. Тому так важливе хороше тепловідведення.

Падіння яскравості з підвищенням температури не однаково у світлодіодів різних кольорів. Воно більше у AlGalnP-і AeGaAs-світлодіодів, тобто у червоних та жовтих, і менше у InGaN, тобто у зелених, синіх та білих.

15. Чому потрібно стабілізувати струм через світлодіод?

Як видно з малюнка 2, у робочих режимах струм експоненційно залежить від напруги і незначні зміни напруги призводять до більших змін струму. Оскільки світловий вихід прямо пропорційний струму, то і яскравість світлодіода виявляється нестабільною. Тому струм необхідно стабілізувати. Крім того, якщо струм перевищить допустиму межу, то перегрів світлодіода може призвести до його прискореного старіння.

16. Для чого світлодіоду потрібний конвертор?

Конвертор (в англомовній термінології driver) для світлодіода — те, що баласт для лампи. Він стабілізує струм, що протікає через світлодіод.

17. Чи можна регулювати яскравість світлодіоду?

Яскравість світлодіодів дуже добре піддається регулюванню, але не за рахунок зниження напруги живлення - цього саме робити не можна, - а так званим методом широтно-імпульсної модуляції (ШІМ), для чого необхідний спеціальний керуючий блок (реально він може бути поєднаний з блоком живлення та конвертором, а також з контролером управління кольором RGB-матриці).Метод ШІМ полягає в тому, що на світлодіод подається не постійний, а імпульсно-модульований струм, причому частота сигналу повинна становити сотні або тисячі герц, а ширина імпульсів та пауз між ними може змінюватись. Середня яскравість світлодіода стає керованою, водночас світлодіод не гасне. Невелика зміна колірної температури світлодіода при димуванні незрівнянно з аналогічним зміщенням ламп розжарювання.

18. Чим визначається термін служби світлодіоду?

Вважається, що світлодіоди винятково довговічні. Але це зовсім так. Чим більший струм пропускається через світлодіод у процесі його служби, тим вища його температура і тим швидше настає старіння. Тому термін служби у потужних світлодіодів коротший, ніж у малопотужних сигнальних, і становить нині 20-50 тисяч годин. Старіння виявляється насамперед у зменшенні яскравості. Коли яскравість знижується на 30% чи наполовину, світлодіод треба змінювати.

19. Чи псується колір світлодіода з часом?

Старіння світлодіода пов'язане як зі зниженням його яскравості, а й зі зміною кольору. Нині немає стандартів, які б висловити кількісно зміна кольору світлодіодів у процесі старіння і порівняти коїться з іншими джерелами.

20. Чи не шкідливий світлодіод для ока?

Спектр випромінювання світлодіоду близький до монохроматичного, у чому його кардинальна відмінність від спектру сонця чи лампи розжарювання. Добре це чи погано — достеменно не відомо, бо наскільки я знаю, серйозних досліджень у цій галузі ніде не проводилося. Будь-які дані про шкідливий вплив світлодіодів на людське око відсутні.

Є надія, що незабаром вплив світлодіодів на зір буде вивчено досконало.Проблемою зацікавився академік Михайло Аркадійович Островський – великий фахівець у галузі кольорового зору. Тема, за вирішення якої він взявся, називається так: "Психофізичне сприйняття світлодіодного освітлення системою зору людини".

21. Коли і як надяскраві світлодіоди з'явилися в Росії?

Про це найкраще розповість професор Юнович.

Люмінесценцію карбіду кремнію вперше спостерігав Олег Володимирович Лосєв у Нижегородській радіотехнічній лабораторії у 1923 р. та показав, що вона виникає поблизу p-n-переходу. Перша наукова стаття про кристали нітриду галію була опублікована професором МДУ Г.С. Ждановим у 30-х роках. Люмінесценцію в гетероструктурах на основі арсеніду галію вперше досліджували у лабораторії Ж.І. Алфьорова в 60-х роках. і показали, що можна створити структури із внутрішнім квантовим виходом близьким до 100%. Розробки структур та світлодіодів на основі нітриду галію велися в ленінградських Політехнічному та Електротехнічному інститутах, у Калузі, у Зеленограді у 70-х рр., але вони тоді не призвели до створення ефективних блакитних світлодіодів.

1995 року я прочитав перші статті Накамури і зрозумів, що «блакитну проблему» в принципі вирішено. Тоді ж я отримав грант Соросівського фонду. У грудні на ці гроші я зміг поїхати на конференцію до США, і там професор Жак Панков познайомив мене із Ш. На камурі. Я закинув наживку: мовляв, хочу долучити студентів Московського університету до передових досягнень у галузі блакитних світлодіодів і розповісти їм про такий чудовий винахід. Рибка клюнула, і в лютому я одержав від д-ра Ш. На камури з Японії бандероллю 10 світлодіодів від фіолетового до зеленого.Все потім виявилося просто — фірма Nichia Chemical розпочинала випуск світлодіодів на ринок та була зацікавлена ​​у науковій рекламі. У лабораторії МДУ ми їх досконало досліджували, зняли всі характеристики та здобули нові наукові результати. Д-р Ш. Накамура дав люб'язну згоду на спільну публікацію перших наших статей.

Водночас фахівці з групи Бориса Ферапонтовича Тринчука у Зеленограді продемонстрували зразки зелених світлодіодів начальникам із ДАІ та отримали позитивний відгук. Справа в тому, що ця група зробила досвідчений зразок світлодіодного світлофора, але у них не було хороших зелених світлодіодів. Світлофори з новими надяскравими зеленими світлодіодами набагато перевершували світлофори з лампами, і московський уряд зробив замовлення на 1000 світлодіодних світлофорів до 850-річчя Москви. Таке везіння!

Саме тоді ми гостювала киргизька скрипалька Райкан Карагулова — випускниця Московської консерваторії, учениця моєї дружини, яка працювала в Японії першим концертмейстером симфонічного оркестру в Осаці. З'ясувалося, що місце роботи знаходиться неподалік фірми Nichia Chemical! Б.Ф. Тринчук дав їй тисячу доларів і попросив купити на них і надіслати на мою адресу 200 зелених світлодіодів. З них було виготовлено перші світлофори з тієї ювілейної тисячі. Москва стала першим у світі містом із масовим застосуванням світлодіодних світлофорів.

Наші вчені та інженери в НДІ «Сапфір» намагалися повторити досягнення японців та виготовити структури на основі нітридів для блакитних та зелених світлодіодів на старій епітаксійній установці, яку довелося модернізувати, щоб досягти більш високих температур та тисків. Але ініціатива заглухла через відсутність грошей та інтерес керівництва.

22.Які на сьогоднішній день існують технології виготовлення світлодіодів та світлодіодних модулів?

Щодо вирощування кристалів, то основна технологія — металоорганічна епітаксия. Для цього процесу потрібні особливо чисті гази. У сучасних установках передбачені автоматизація та контроль складу газів, їх роздільні потоки, точне регулювання температури газів та підкладок. Товщини шарів, що вирощуються, вимірюються і контролюються в межах від десятків ангстрем до декількох мікрон. Різні шари необхідно легувати домішками, донорами або акцепторами, щоб створити p-n-перехід з великою концентрацією електронів у n-області та дірок - в р-області.

За один процес, що триває кілька годин, можна виростити структури на 6-12 підкладках діаметром 50-75 мм. Дуже важливо забезпечити та проконтролювати однорідність структур на поверхні підкладок. Вартість установок для епітаксійного зростання напівпровідникових нітридів, розроблених у Європі (фірми Aixtron і Thomas Swan) та США (Emcore), сягає 1,5-2 млн. доларів. Досвід різних фірм показав, що навчитися отримувати на такій установці конкурентоспроможні структури з необхідними параметрами можна від одного до трьох років. Це технологія, яка потребує високої культури.

Важливим етапом технології є планарна обробка плівок: їх травлення, створення контактів до n-і р-шар, покриття металевими плівками для контактних висновків. Плівку, вирощену на одній підкладці, можна розрізати на кілька тисяч чіпів розмірами від 0,24 x 0,24 до 1 x 1 мм2/.

Наступним кроком є ​​створення світлодіодів із цих чіпів.Необхідно змонтувати кристал у корпусі, зробити контактні висновки, виготовити оптичні покриття, що просвітлюють поверхню для виведення випромінювання або відбивають його. Якщо це білий світлодіод, потрібно рівномірно нанести люмінофор. Треба забезпечити тепловідведення від кристала та корпусу, зробити пластиковий купол, що фокусує випромінювання у потрібний тілесний кут. Близько половини вартості світлодіода визначається цими етапами високої технології.

Необхідність підвищення потужності збільшення світлового потоку призвела до того, що традиційна форма корпусного світлодіода перестала задовольняти виробників через недостатнє тепловідведення. Потрібно було максимально наблизити чіп до теплопровідної поверхні. У зв'язку з цим на зміну традиційної технології та дещо досконалішої SMD-технології (surface montage details — поверхневий монтаж деталей) приходить найбільш передова технологія СОВ (chip on board). Світлодіод, виготовлений за технологією СОВ, схематично зображено малюнку.

Світлодіоди, виконані за SMD-і СОВ-технології, монтуються (приклеюються) безпосередньо на загальну підкладку, яка може виконувати роль радіатора - в цьому випадку вона виготовляється з металу. Так створюються світлодіодні модулі, які можуть мати лінійну, прямокутну або круглу форму, бути жорсткими або гнучкими, коротше, покликані задовольнити будь-яку забаганку дизайнера. З'являються і світлодіодні лампи з таким же цоколем, як у галогенних низьковольтних, покликані їм на заміну. А для потужних світильників та прожекторів виготовляються світлодіодні зборки на круглому масивному радіаторі.

Раніше у світлодіодних зборках було дуже багато світлодіодів.Зараз, у міру збільшення потужності, світлодіодів стає менше, проте оптична система, що направляє світловий потік у потрібний тілесний кут, відіграє все більшу роль.

23. Хто у світі сьогодні виробляє світлодіоди?

Щоб робити якісні світлодіоди у потрібній кількості, знадобилося злиття двох галузей — електронної та світлотехнічної. Всі західні гіганти, що виробляють світлодіоди для світлотехніки за повним циклом, починаючи з виробництва чіпів і закінчуючи різними світлодіодними модулями та складаннями, а також світильниками на їх основі, йдуть цим шляхом. General Electric уклала союз із виробником напівпровідникових приладів Emcore, створивши компанію GEL Core. Philips Lighting спільно з Agilent, дочірньою компанією Hewlett-Packard створили підприємство LumiLeds. Osram об'єднує зусилля із напівпровідниковими підприємствами своєї материнської компанії Siemens. Як зазначив Макаранд Чіпалкатті, менеджер з маркетингу з підрозділу Opto Semiconductors компанії Osram Sylvania, що спеціалізується на пристроях LED, виробники світлотехніки самі знищують свій бізнес. Але якщо сьогодні не «наступити на горло власній пісні», то завтра прийдуть інші і зроблять це значно жорсткіше.

Втім, існують компанії, що спеціалізуються лише на виробництві чипів. Це підприємства радіоелектронної промисловості і вони не займаються світлотехнікою. До них належить Nichia Corporation.

24. Які основні виробники світлодіодних модулів та складання та представлені ними модельні ряди?

Чіпи та окремі світлодіоди виробляють компанії Nichia Corporation, Сге, LumiLeds Lighting, Opto Technology, Osram Opto Semiconductors, GEL Core.Масове виробництво структур та чіпів для світлодіодів ведуть тайванські фірми Lite-On, Taiwan Oasis та ін.

У Росії світлодіоди виробляють компанії Корвет Лайт, Світлана Оптоелектроніка, Оптел, Оптоніка. За конструкцією та технологічним виконанням наші світлодіоди не поступаються закордонним, фахівці перерахованих компаній мають відповідні патенти. У Москві та Санкт-Петербурзі є можливість вирощувати власні чіпи - наприклад, епітаксійна установка є в Санкт-Петербурзькому фізтеху, - але для промислового виробництва необхідне велике фінансування, і поки наші компанії використовують зарубіжні чіпи.

25. Де сьогодні доцільно застосовувати світлодіоди?

Світлодіоди знаходять застосування практично у всіх галузях світлотехніки, за винятком освітлення виробничих площ, та й там можуть використовуватися в аварійному освітленні. Світлодіоди виявляються незамінними у дизайнерському освітленні завдяки їх чистому кольору, а також у світлодинамічних системах. Вигідно їх застосовувати там, де дорого обходиться часте обслуговування, де необхідно жорстко економити електроенергію, і де високі вимоги до електробезпеки.

26. Можливості та застосування

Винахід перших світлодіодів - напівпровідникових діодів в епоксидній оболонці, що виділяють монохроматичне світло при підключенні до електроструму - відноситься до 1960-х років. Однак до 1980-х низька яскравість, відсутність світлодіодів синього та білого кольорів, а також високі витрати на їх виробництво обмежували їхнє масове застосування як джерела світла.Тому світлодіоди переважно використовували в зовнішніх електронних табло, ними обладнали системи регулювання дорожнього руху, застосовували в оптоволоконних системах передачі даних та медичному устаткуванні.

Поява понад яскравих, а також синіх (у середині 1990-х років) та білих діодів (на початку XXI століття) та постійне зниження їхньої ринкової вартості привернули увагу багатьох виробників до даних джерел світла. Світлодіоди стали використовувати як індикатори режимів роботи електронних пристроїв, у підсвічуванні рідкокристалічних екранів різних приладів, у тому числі — мобільних телефонів та ін. з них дисплеї з виведенням повнокольорової графіки та анімації.

Світлодіоди за рахунок їх малої потреби в електроенергії — оптимальний вибір декоративного освітлення в місцях, де існують проблеми з енергетикою.

Термін служби світлодіодів, що перевищує в 6-8 разів довговічність люмінесцентних ламп, відносна простота в роботі з ними на етапі збирання виробів, відсутність необхідності в регулярному обслуговуванні та їх антивандальні якості роблять ці джерела світла конкурентоспроможними з традиційнішими газорозрядними, люмінесцентними лампами і лампами розжарювання. Одним з небагатьох і суттєвих аспектів, за рахунок якого неон утримує свої позиції в сегменті підсвічування вивісок, є ще більш висока вартість світлодіодів.

27. Переваги

Економічно…

Однією з переваг світлодіодів є їх довговічність. Дані джерела світла мають ресурс використання 100 000 годин, адже це 10-12 років безперервної роботи.Для порівняння – максимальний термін роботи неонових та люмінесцентних ламп становить 10 тис. годин.

За цей час у світловому модулі, що використовує люмінесцентні лампи, їх потрібно буде змінити 8-10 разів, а лампи розжарювання доведеться заново «вкручувати» від 30 до 40 разів. Використання світлодіодних модулів дозволяє зменшити витрати на електроенергію до 87%!

Зручно…

Світлодіодний модуль – багатокомпонентна структура з невибагливою схемою підключення. У ланцюжку, скажімо, з півсотні світлодіодів один-два несправні не тільки не виводять рекламний фрагмент з ладу, але навіть не впливають на сумарне світлове випромінювання. Гігантський ресурс роботи світлодіодів практично вирішує проблеми, пов'язані з необхідністю їхньої заміни. Крім того, світловипромінюючі діоди здатні надійно функціонувати в широкому діапазоні робочих температур.

Надійно…

Є надійність особливого роду — та, від якої часом залежать людські життя. Застосування світлодіодів у пристрої відображення інформації (дорожні знаки, світлофори, інформаційні табло тощо) веде до значного збільшення відстані їх сприйняття людським оком. Невипадково у багатьох великих містах розвинених країн вже немає звичайних світлофорів, а світлодіодні схеми використовуються у повітряних та надводних навігаційних системах.

Іншим аспектом, завдяки якому світлодіодам деякими замовниками віддається перевага, є їхня міцність та антивандальні якості. На відміну від скляних трубок дані джерела світла виготовлені із пластику. За рахунок цього їх важко вивести з ладу за допомогою механічних пошкоджень. Характерна напруга, необхідна для роботи одного світлодіода, – 3-4 вольти.Тому в умовах, коли потрібне дотримання підвищених заходів безпеки чи немає можливості використовувати високу напругу, світлодіоди є оптимальним вибором. Робоча напруга світлодіодних модулів, як згадувалося раніше, становить 10-12 В. Очевидно, що при низькій напрузі не потрібно застосовувати дроти великого перерізу з сильною ізоляцією. Це також полегшує підключення світлодіодів до електромережі. У газорозрядних трубок, на відміну від світлодіодів, є поріг спрацьовування: щоб джерело світла спалахнуло, на початку необхідно подати на розряд необхідну напругу. Світлодіоди починають випромінювати світло відразу при підключенні до електромережі, і їх яскравість легко регулювати нарощуванням або зниженням напруги практично відразу після включення. Однією з важливих переваг світлодіодів є стійкість до дії низьких температур. Відомо, що на морозі всередині газорозрядних джерел світла відбувається вимерзання ртуті, що призводить до зниження яскравості свічення. За негативних температур також виникають проблеми з включенням неону. Світлодіоди позбавлені цих мінусів.

Гарно…

Якби LED-технології не винайшли світлотехніки, їх створили б дизайнери. Світлодіоди, на відміну від ламп з неоном, мають практично необмежені можливості для гри зі спектрами, ланцюжки яких можна побудувати таким чином, щоб світлові акценти точно працювали на образ. Плавні, майже непомітні для ока світлові переходи від піку до піку в плані виразності, звичайно, поступаються живопису, але залишають далеко позаду інші джерела світла. Витончена кольородинаміка, характерна для світлодіодних модулів, здатна задовольнити вимоги найвибагливішого дизайнера.Цікаво, що гра зі спектрами має екологічне значення. Адже криві чутливості, скажімо, рослин та людського ока не збігаються: ті спектри, які комфортні для нашого ока, часто дискомфортні для рослин, і навпаки. Зональне використання різних світлодіодних «ланцюжків» у тих інтер'єрах, де одночасно перебувають і рослини, і людина, знімають цю проблему.

Представно…

Світлодіодні модулі надзвичайно компактні. Різні сувеніри, мініатюрні стенди та компактні табло, прикрашені світлодіодною символікою компанії, виглядають напрочуд виразно і незвично. Частка ринку світлотехнічних виробів, яку займає світлодіоди, становить незначну частку. У розвинених країнах, особливо у великих містах та столицях, вона повільно, але вірно зростає. Своєрідним символом цієї ніжної та неминучої революції стало гігантське 500-метрове полотно зі світлодіодів, що безперервно простяглося над головною вулицею Лас-Вегаса.

типи, як працює, історія, схема

У статті дізнаєтеся що таке світлодіод (LED), типи, як працює, історія, схема та характеристики, переваги та недоліки.

Світлодіоди повсюди довкола нас: у наших телефонах, наших автомобілях і навіть у наших будинках. Щоразу, коли горить щось електронне, є велика ймовірність, що за ним стоїть світлодіод. Вони бувають різних розмірів, форм і кольорів, але незалежно від того, як вони виглядають, у них є одна спільна риса це найпопулярніша річ в електроніки. Величезний вибір світлодіодів на ваш смак та колір ви можете придбати на Аліекспрес, натиснувши на кнопку нижче:

Світлодіоди («LED») - це особливий тип діодів, які перетворюють електричну енергію на світло. Насправді світлодіод означає «світловипромінюючий діод».І можна побачити подібність на схемі діода та світлодіода:

Коротше кажучи, світлодіоди схожі на крихітні лампочки. Тим не менш, для порівняння світлодіоди вимагають набагато менше енергії. Вони також є більш енергоефективними, тому вони не мають тенденцію нагріватися, як звичайні лампочки. Це робить їх ідеальним пристроєм для мобільних телефонів та інших електронних приладів із низьким енергоспоживанням. Світлодіоди високої інтенсивності знайшли своє застосування в акцентному освітленні, прожекторах та навіть автомобільних фарах!

Хто винайшов світлодіод

Загальна світлодіодна технологія існує вже понад сорок років. Перший світловипромінюючий діод видимого спектру був винайдений у 1962 році Ніком Холоняком-молодшим, який на той час працював консультантом у General Electric.

Однак деякі фактори не дозволили технології перейти до практичного використання освітлення. Вартість була головною проблемою, перші світлодіоди коштували понад 200 доларів за діод. Іншим обмежуючим чинником був колір, до 70-х єдиним кольором, який міг створювати світлодіод, був червоний. Ще одним фактором був світловий потік, який протягом багатьох років обмежував практичне використання світлодіодів для візуальних сигналів, таких як світлові індикатори та знаки.

Використання світлодіодів в лампочках є досить недавнім розвитком, що продовжується. Перші масові установки світлодіодного освітлення відбулися за останні кілька років, і технологія постійно вдосконалюється.

Характеристики світлодіода (LED)

Перед підключенням світлодіода потрібно знати кілька характеристик світлодіода (насправді вони дуже важливі).Якщо ви звертаєтесь до будь-якої специфікації, наданої виробником, ви можете знайти безліч технічних характеристик, що відповідають електричним характеристикам, номінальним характеристикам, фізичним розмірам тощо.

Я не втомлюватиму вас усіма характеристиками, а лише важливими. Це полярність, пряма напруга та прямий струм.

Рекомендуємо вам відео нижче «Як дізнатися параметри будь-якого світлодіода»

Полярність LED

Полярність показником симетричності електронного компонента. Світловипромінюючий діод, подібний до діода PN-переходу, не є симетричним, тобто він дозволяє струму текти тільки в одному напрямку.

У світлодіоді позитивний висновок називається анодом, а негативний висновок – катодом. Для правильної роботи світлодіода анод світлодіода повинен мати більший потенціал, ніж катод, оскільки струм у світлодіоді тече від анода до катода.

Що станеться, якщо ми підключимо світлодіод у зворотному напрямку? Ну, нічого не відбувається, тому що світлодіод не проводитиме струм. Ви можете легко ідентифікувати анодну клему світлодіода, оскільки вони мають більш довгі висновки.

Прямий струм світлодіодів

Світлодіоди є дуже чутливими пристроями і величина струму, що протікає через світлодіод, дуже важлива. Крім того, яскравість світлодіода залежить від величини струму, що споживається світлодіодом.

Кожен світлодіод має максимальний прямий струм, який може безпечно проходити через нього без перегорання. Так, допустимий струм, що перевищує номінальний струм, фактично підпалить світлодіод.

Наприклад, 5-міліметрові світлодіоди, що найчастіше використовуються, мають номінальний струм від 20 мА до 30 мА, а 8-міліметрові світлодіоди мають номінальний струм 150 мА (точні значення наведені в технічному описі).

Як нам регулювати струм, що протікає через світлодіод? Для контролю струму, що протікає через світлодіод, ми використовуємо резистори з обмеженням струму.

Пряма напруга LED

Світловипромінюючі діоди також розраховані на максимальну напругу, тобто кількість напруги, яка потрібна для світлодіода. Наприклад, усі 5-міліметрові світлодіоди мають номінальний струм 20 мА, але пряма напруга змінюється від одного світлодіода до іншого.

Максимальна напруга на червоних світлодіодах становить 2,2 В, максимальна напруга на синіх світлодіодах – 3,4 В, а на максимальній напрузі білих світлодіодів – 3,6 В.

Як працює світлодіод

Світлодіод є двопровідним напівпровідниковим джерелом світла. Це p-n перехідний діод, який випромінює світло під час активації. Коли до висновків прикладена відповідна напруга, електрони можуть рекомбінувати з електронними отворами всередині пристрою, виділяючи енергію у вигляді фотонів. Цей ефект називається електролюмінесценцією, а колір світла (відповідний енергії фотона) визначається енергетичною шириною забороненої зони напівпровідника.

Матеріал, що використовується у світлодіодах, в основному алюміній-галій-арсенід (AlGaAs). У первісному стані атоми цього матеріалу міцно пов'язані. Без вільних електронів провідність електрики стає неможливою.

При додаванні домішки, відомої як легування, вводяться додаткові атоми, що ефективно порушує баланс матеріалу.

Ці домішки у вигляді додаткових атомів здатні або забезпечувати вільні електрони (N-тип) у системі, або висмоктувати деякі з існуючих електронів з атомів (P-тип), створюючи «дірки» на атомних орбітах. В обох випадках матеріал стає більш провідним. Таким чином, під впливом електричного струму в матеріалі N-типу електрони можуть переміщатися від анода (позитивний) до катода (негативний) і навпаки у матеріалі P-типу. Через властивість напівпровідника струм ніколи не йтиме у протилежних напрямках у відповідних випадках.

З наведеного вище пояснення ясно, що інтенсивність світла, що випромінюється джерелом (в даному випадку світлодіодом), залежатиме від рівня енергії фотонів, що випускаються, який, у свою чергу, залежатиме від енергії, що виділяється електронами, що стрибають між атомними орбітами з напівпровідникового матеріалу.

Ми знаємо, що для того, щоб змусити електрон вистрілити з нижчої орбіти на вищу, його енергетичний рівень необхідно підняти. І навпаки, якщо електрони змушені падати з вищих на нижчі орбіталі, логічно енергія має вивільнятися у процесі.

У світлодіодах вищезазначені явища добре використовуються. У відповідь на P-тип легування електрони у світлодіодах рухаються, падаючи з верхніх орбіталей на нижні, вивільняючи енергію у вигляді фотонів, тобто світла. Чим далі ці орбіталі відстоять один від одного, тим більша інтенсивність світла, що випромінюється.

Різні довжини хвиль, залучені до процесу, визначають різні кольори, вироблені світлодіодами. Отже, світло, випромінюване пристроєм, залежить від типу використовуваного напівпровідникового матеріалу.
Інфрачервоне світло створюється з використанням арсеніду галію (GaAs) як напівпровідник. Червоне або жовте світло отримують з використанням галію-арсеніду-фосфору (GaAsP) як напівпровідник. Червоне або зелене світло виходить при використанні галію-фосфору (GaP) як напівпровідника.

Проста світлодіодна схема

На наступному малюнку показано схему простого світлодіодного ланцюга, що складається з 5-міліметрового білого світлодіода з джерелом живлення 5 В.

Оскільки це білий світлодіод, номінальні значення струму та напруги наступні: типовий прямий струм становить 20 мА, а типова пряма напруга становить 2 Ст.

Тому для регулювання струму та напруги ми використовували резистор 180 Ом.

Типи світлодіодів

• Наскрізні світлодіоди: вони доступні в різних формах та розмірах, і найбільш поширеними є світлодіоди 3 мм, 5 мм та 8 мм. Ці світлодіоди доступні у різних кольорах, як-от червоний, синій, жовтий, зелений, білий тощо.
• Світлодіоди SMD (світлодіоди для поверхневого монтажу): Світлодіоди для поверхневого монтажу є спеціальною упаковкою, яку можна легко встановити на друковану плату. Світлодіоди SMD зазвичай відрізняються в залежності від їх фізичних розмірів. Наприклад, найбільш поширеними світлодіодами SMD є 3528 та 5050.

• Двоколірні світлодіоди. Наступним типом світлодіодів є двоколірні світлодіоди, як випливає з назви, можуть випромінювати два кольори. Двоколірні світлодіоди мають три контакти, зазвичай два аноди та загальний катод. Залежно від конфігурації дротів, колір буде активовано.

• Світлодіод RGB (червоний – синій – зелений): світлодіоди RGB є найулюбленішими та найпопулярнішими серед любителів та дизайнерів.Навіть комп'ютерні зборки дуже популярні для реалізації світлодіодів RGB у корпусах комп'ютерів, материнських платах, оперативної пам'яті тощо.

• Світлодіоди високої потужності: Світлодіод з номінальною потужністю, що перевищує або дорівнює 1 Вт, називається світлодіодом високої потужності. Це тому, що нормальні світлодіоди мають розсіювану потужність в кілька міліватів. Потужні світлодіоди дуже яскраві та часто використовуються у ліхтариках, автомобільних фарах, прожекторах тощо.

Переваги світлодіодів

1. Для керування світлодіодом досить дуже низької напруги та струму. У діапазоні voltage-від 1 до 2 вольт. Струм - від 5 до 20 міліампер.
2. Загальна вихідна потужність буде менше 150 міліватів.
3. Час відгуку дуже менший — близько 10 наносекунд.
4. Пристрій не вимагає нагрівання та розігріву.
5. Мініатюрний за розміром і, отже, легкий.
6. Мають міцну конструкцію і тому можуть протистояти ударам та вібраціям.
7. Термін служби світлодіода становить понад 20 років.

Недоліки світлодіодів:

• Невелике перевищення напруги чи струму може пошкодити пристрій.
• Відомо, що пристрій має більшу смугу пропускання порівняно з лазером.
• Температура залежить від вихідної потужності випромінювання та довжини хвилі.

Сьогоднішній світ неможливо собі уявити без електричного освітлення. Величезні мегаполіси та найвіддаленіші куточки земної кулі висвітлюються всілякими електричними джерелами штучного світла. Однак, безперервний розвиток технологій призводить до того, що мастодонт електричного освітлення — «лампочка Ілліча» — впевнено поступається лідирующим позиціям сучасним високотехнологічним і високоекономічним джерелам електричного світла, серед яких, безумовно, беззастережно лідирують світлодіоди.

Що таке світлодіод та історія його винаходу

Світлодіод - Це напівпровідниковий прилад, що випромінює фотони певної частоти при пропущенні через нього електричного струму.

Часто термін «світлодіод» замінюється англомовною абревіатурою LED від "led emitting diod" - світловипромінюючий діод. Російськомовний аналог цього словосполучення - СІД - використовується значно рідше.

Ефект випромінювання фотонів досягається завдяки наявності у цих приладах електронно-діркового переходу, рекомбінація електронів і дірок у якому супроводжується переходом електронів з одного енергетичного рівня на інший, внаслідок чого надлишок енергії вивільняється у вигляді вільного фотонного випромінювання.

Олег Лосєв, радянський вчений, винахідник, один із предків світлодіоду

Вперше подібне явище було виявлено далекого 1907 року англійським дослідником Генрі Раундом. Пізніше незалежно від нього радянський вчений Олег Лосєв у 1923 році також зафіксував електролюмінесценцію у точці контакту карбіду кремнію та стали під впливом електричного струму і навіть зміг запатентувати свій винахід під назвою «Світлове реле» у 1927 році. Але, як часто буває, відкриття не було належним чином оцінене сучасниками і до переможної ходи світлодіодів залишалися довгі десятиліття.

Технологія створення інфрачервоних світлодіодів була освоєна в США лише в 1961 році, а перший реально застосовний світлодіод у видимому діапазоні спектру (червоний) був створений у 1962 Ніком Холоньяком. Пізніші дослідження привели до створення в 1971 році синього світлодіода, а в 1972 році було створено перший жовтий світлодіод і розроблено способи десятикратного збільшення яскравості червоних світлодіодів.

Проте, незважаючи на очевидний прогрес у розвитку світлодіодної техніки, світлодіоди залишалися надмірно дорогими до кінця 60-х років ХХ століття. Їхнє широке промислове виробництво і застосування починається лише в 70-х роках ХХ століття, а виробництво дешевих синіх світлодіодів почалося лише після 1990 року, коли японським ученим, які згодом отримали Нобелівську премію, вдалося критично вдосконалити технологію їх створення.

Види світлодіодів в залежності від хімічного складу напівпровідників

Оскільки світлодіоди є напівпровідниковими приладами, то й матеріали, що використовуються для їхнього створення, є традиційними для напівпровідникової техніки. Найпоширеніший, безумовно, галій у хімічних сполуках коїться з іншими елементами. Широко використовуються також індій, алюміній, кремній.

Використання різноманітних сполук дає можливість отримувати світлодіоди, що випромінюють світло в діапазоні від інфрачервоного до ультрафіолетового. А використання додатково нанесених люмінофорів та кольорових пластиків ще більше розширює колірну палітру світла, що отримується.

Типорозміри SMD світлодіодів

SMD – Surface Mount Device – електронні деталі або пристрої, що монтуються на поверхню (як правильно, на поверхню плати). Саме такий тип монтажу став найпоширенішим у світі електроніки і, найпоширенішим є і SMD світлодіоди, тобто. світлодіоди призначені для поверхневого монтажу. Іноді їх називають чіп-світлодіодами, але така назва радше рідкість.

Існує кілька найпоширеніших розмірів SMD світлодіодів. Як правило, різні виробники дотримуються загальноприйнятих стандартів, хоча, наприклад, світловий потік світлодіодів одного типорозміру у різних виробників може відрізнятися.

SMD 3528

Світлодіоди для поверхневого монтажу типорозміру 3528 є, мабуть, одним із найпоширеніших варіантів. Вони мають прямокутну форму зі сторонами 3,5 та 2,8 міліметра. Товщина складає 1,4 мм.Для полегшення монтажу на корпусі світлодіода з боку катода робиться зріз кута, що дозволяє однозначно визначити правильне розташування елемента. Світловипромінююча поверхня сформована у вигляді кола і, як правило, покрита люмінофором, що відрізняється в залежності від цілей використання світлодіода. Істотною особливістю даних світлодіодних елементів є сильна залежність їхньої яскравості від температури. Так, при нагріванні світлодіода до 80 ° C його яскравість може знизитися на 25% і більше.

SMD 5050

Світлодіоди SMD 5050 мають квадратний корпус розміром 5,0 на 5,0 мм, всередині якого розташовані три кристали за своїми характеристиками ідентичних тим, які встановлюються в SMD 3528. Фактично SMD 5050 можна вважати більш досконалою версією світлодіодів 3528. Можливість встановлення трьох кристалів в один корпус дозволяє створювати більш потужні та яскраві світлодіоди, а наявність можливості незалежного управління кожним кристалом дозволяє створювати багатобарвні RGB світлодіоди, здатні випромінювати практично весь видимий людським оком світловий спектр.

SMD 5630

Поява нового типу світлодіодів з габаритами корпусу 5,6 на 3,0 мм засвідчила не лише зовнішні зміни звичних розмірів SMD, але й ознаменувала внесення до їхньої конструкції помітних поліпшень, що впливають на суттєві показники їх роботи. Застосування нових матеріалів та інженерних рішень дозволило збільшити потужність та світловіддачу світлодіодів 5630 порівняно з їх ранніми побратимами.

Незважаючи на наявність у SMD 5630 чотирьох висновків використовується лише два з них. Другий є негативним катодом, а четвертий – позитивним анодом. При цьому ключ катода розташований біля першого виводу.Розміщення чіпів SMD 5630 на металевій підкладці є гарним тоном, оскільки сприяє значному покращенню відведення тепла з робочої зони та, відповідно, продовженню терміну служби високотехнологічного пристрою.

На наступному малюнку наочно представлена ​​різниця між напрямком світлового потоку та кутами огляду у світлодіодів 3528, 5050 та 5630. Неозброєним оком помітне зростання даних показників зі збільшенням форм-фактора чіп-світлодіода.

Порівняльна характеристика напрямку та кута випромінювання світлодіодів 3528, 5050 та 5630

SMD 5730

Брати-близнюки світлодіодів 5630 світлодіоди SMD 5730 — з'явилися на ринку практично одночасно зі своїми молодшими одноплемінниками і багато в чому є аналогами. Серед конструктивних відмінностей необхідно відзначити, що світловипромінюючі діоди 5,7 на 3,0 мм мають лише два контакти, на відміну від світлодіодів 5630. При цьому вони дещо вищі (приблизно на 0,5 мм). Також світлодіоди 5730 поділяються за споживаною потужністю на два класи: 0,5 Вт та 1 Вт, і часто позначаються відповідно SMD 5730-05 та SMD 5730-1. Обладнання обох цих класів є високоефективними світловипромінюючими пристроями з низьким тепловим опором кристал/підкладка близько 4 °C, що значно підвищує енергоефективність і довговічність обладнання на їх базі.

Як видно з наведених даних, світлодіоди 5730-1, маючи вдвічі більшу потужність, що розсіюється, функціонують і при великих струмах. параметри роботи світловипромінюючого діода

SMD 3014

Порівняно недавно з'явилися світловипромінюючі діоди форм-фактора 3,0 на 1,4 мм не тільки мають істотно менші зовнішні розміри, ніж більш ранні SMD, але й мають значно більш високу енергетичну ефективність.

Дані світлодіоди працюють при максимальному струмі 30 мА, що дозволяє віднести їх до слабкострумових пристроїв. від меншого за розміром, але потужнішого споживача.

SMD 2835

Світлодіоди SMD 2835 увібрали в себе, мабуть, найкращі риси інших LED SMD. прямокутника, що знижує неефективні втрати енергії та підвищує оптичні показники, зокрема кут огляду.

Конструктивні особливості світлодіодів 2835 (використання контактів анода і катода як тепловідвідна підкладка) зближує ці пристрої з SMD3014, в яких реалізований такий же принцип.

Енергетична ефективність різних світлодіодів

Розвиток LED технологій спрямоване в першу чергу на збільшення їхньої енергоефективності.

• SMD 3528 - 70 лм/Вт
• SMD 5050 - 80 лм/Вт
• SMD 5630 - 80 лм/Вт
• SMD 5730-05 - 80 лм/Вт
• SMD 5730-1 - 100 лм/Вт

З наведених даних видно, що зі зміною поколінь світлодіодів кардинального зростання світлової віддачі не відбулося. зросла всього у 15 разів.

Підключення світлодіодів до електричного ланцюга

Штатне функціонування світловипромінюючих діодів можливе лише за подачі на анод позитивного потенціалу, але в катод — негативного, тобто за проходження крізь нього струму лише у напрямі.

Оскільки p-n перехід має різко зростаючу вольт-амперну характеристику, світлодіод повинен підключатися до джерела струму. з уже вбудованими токолімітуючими елементами.У таких випадках у технічному описі до світлодіодів вказуються максимальні та мінімальні допустимі значення подається на світловипромінюючий діод напруги.

Вольт-амперна характеристика p-n переходу у світлодіодах

Вихід із ладу світлодіода може бути пов'язаний з подачею на його контакти напруги, що перевищує заявлені виробником межі. У цьому випадку на світлодіоді виділяється кількість тепла, яка не може бути відведена тепловідвідними елементами, що призводить до перегріву SMD світлодіода та його незворотного виходу з ладу.

Токолімітуючий ланцюг для малопотужних світлодіодів (найпростіший варіант) може являти собою елементарний резистор, послідовно включений зі світлодіодом. У складніших випадках, коли є необхідність захисту потужних світлодіодів, застосовуються схеми з широтно-імпульсною модуляцією. Такий варіант дозволяє вирішити відразу дві задачі: по-перше, підтримує середнє значення струму, що йде через світлодіод на безпечному рівні і, по-друге, дозволяє димувати світлодіод, тобто. регулювати яскравість його свічення.

Необхідно пам'ятати, що при використанні джерел живлення з низьким внутрішнім опором не допускається подача на світлодіод напруги зворотної полярності, тому що у більшості світлодіодів зворотна пробивна напруга складає всього кілька вольт. У тому випадку, якщо світлодіод використовується у схемі, де є ймовірність появи зворотної напруги, світлодіод слід захищати шляхом встановлення паралельно з ним звичайного діода у зворотній полярності.

Переваги світлодіодів у порівнянні з іншими джерелами світла

Будучи якісно новими джерелами електромагнітного випромінювання, світлодіоди мають низку істотних переваг перед своїми попередниками, що сприяє їхньому широкому перманентному впровадженню в різних галузях народно-господарського комплексу.

Серед переваг світлодіодів необхідно виділити такі якості та характеристики:

• Відсутність у LED світлодіодах чутливих до механічних впливів конструктивних елементів (таких, як нитка розжарювання) визначає їх підвищену вібро- і механічну стійкість до несприятливих впливів під час виготовлення, транспортування, монтажу та експлуатації.
• Вкрай ефективне перетворення світлодіодами електричної енергії на світлову визначає вкрай високий коефіцієнт їх світлової віддачі. Натрієві газорозрядні та металогалогенні лампи, що були багато десятиліть безперечними лідерами на ринку за показником світлової віддачі, в даний час втратили свої лідируючі позиції через появу не менш ефективних світлодіодів. Так, якщо показник світлової віддачі у натрієвих газорозрядних ламп становить близько 150 лм на Вт потужності, що споживається, то у найсучасніших світлодіодів він досяг 146 лм/Вт і продовжує підвищуватися разом з розвитком технологій і застосуванням нових конструкторських рішень.
• Термін експлуатації світлодіодів становить від 30 тис. до 100 тис. годинника, що значно перевищує показники джерел світла, виготовлених за іншими технологіями.Недоліком світловипромінюючих діодів є те, що при тривалій експлуатації та/або неефективному відведенні тепла їх кристали схильні до так званої деградації, що призводить до плавного зниження яскравості випромінювання.
• Істотним плюсом світлодіодів є незалежність тривалості їхньої служби від кількості ітерацій включення-вимикання. Цим вони вигідно відрізняються від інших світловипромінювальних пристроїв (наприклад, газорозрядних ламп та ламп розжарювання), чутливих до кількості циклів увімкнення-вимкнення.
• Випроміненню світлодіодів іманентно властива спектральна чистота, тоді як в інших пристроях вона досягається за рахунок використання різних світлофільтрів. Спектрографічний аналіз випромінювання червоного світлодіода
• Екологічна безпека LED обумовлена ​​тим, що в їхньому виробництві не використовуються небезпечні елементи та сполуки (ртуть, фосфор, галогеніди металів). Також у спектрі їхнього випромінювання відсутній ультрафіолет, що призводить до відсутності необхідності створення захисту від нього.
• Світлодіоди безпечні в експлуатації, т.к. зазвичай вони живляться відносно низькими напругами і завдяки високій світловіддачі рідко нагріваються вище 50-60 °C
• Важливим фактором, що сприяє широкому застосуванню світлодіодів, є відсутність інерційності їх включення: максимальна яскравість випромінювання досягається відразу після включення, у той час як у енергозберігаючих люмінесцентних ламп час включення коливається від 1 секунди до 1 хвилини, а вихід на стовідсоткову яскравість відбувається протягом 3 10 хвилин після початку роботи (залежно від температури навколишнього середовища та особливостей лампи).
• Практично нульова чутливість світлодіодів до низьких та ультранизьких температур дозволяє використовувати їх поза приміщеннями у країнах із суворим кліматом. У той же час, як зазначалося, світлодіоди (як і будь-які інші напівпровідникові прилади) чутливі до високих температур. У зв'язку з цим, при монтажі LED пристроїв завжди необхідно приділяти особливу увагу наявності достатнього рівня відведення тепла.
• Широке варіювання кута випромінювання у різних видів світлодіодів (від 15 ° до 180 °) дозволяє вирішувати різні конструкторські та технологічні завдання при створенні пристроїв з їх використанням.
• Наявність широкого спектру білих світлодіодів (білий теплий, білий денний, білий холодний) дає можливість використовувати різні типи для вирішення різних завдань в залежності від конкретної ситуації та необхідності отримання того чи іншого ефекту від освітлення.
• Відносно низька вартість світлодіодів (особливо індикаторних).
• Високі показники коефіцієнта передачі кольору CRI.

Застосування світлодіодів

Завдяки широкому спектру переваг світлодіодні джерела випромінювання знайшли застосування в різноманітних областях. Основними напрямками використання LED є:

• Історично першою сферою застосування світлодіодів було приладобудування. Саме тут світлодіоди стали масово застосовуватися як пристрої індикації. Індикаторами можуть бути як одиночні LED (наприклад, індикатор увімкнення в мережу), так і зібрані в різні табло (цифрові, цифро-літерні).
• Останні десятиліття стали широко використовуватися звані світлодіодні кластери. Насправді це масив світлодіодів, що знаходяться під загальним цифровим (зазвичай) управлінням.Обивателю такі кластери знайомі у вигляді рядків, що біжать, великих екранів, що розміщуються на вулицях міст.
• Також світлодіоди забезпечують підсвічування рідкокристалічних екранів мобільних пристроїв, телевізорів та моніторів персональних комп'ютерів та ноутбуків.
• Потужні та надпотужні світлодіоди знайшли своє застосування у ліхтарях вуличного освітлення, а також у сучасних світлофорах. Застосування LED випромінювачів у світлофорах великих міст не тільки сприяє оптимізації споживання електроенергії, але й за рахунок високої світловіддачі та передачі кольору сприяє зниженню аварійності на дорогах.
• Підвищенню безпеки на дорогах сприяє і впровадження нових елементів дорожньої обстановки: дорожніх знаків на основі світлодіодів. Такі знаки чудово видно у будь-який час доби та практично у будь-яку погоду.
• В останні роки світлодіоди набули широкого поширення як основні джерела промислового та побутового освітлення. Світильники на основі LED, а також світлодіодні стрічки впевнено витісняють із ринку інші види джерел світла. Насамперед це відбувається за рахунок лавиноподібного зниження цін на світлодіоди останнім часом, а також завдяки появі безлічі локальних виробників досить якісної світлодіодної продукції.
• Використання LED технологій у рослинництві дозволяє створювати вузькоспеціалізовані джерела освітлення (фітолампи) з особливим спектром випромінювання, що забезпечує максимальну ефективність процесу фотосинтезу у листі сільськогосподарських рослин. Застосування таких приладів особливо перспективне на територіях з північним кліматом.
• Стрімкий розвиток інформаційних технологій також спричиняє значний попит на світлодіодну продукцію.Використання LED як легкодоступні джерела модульованого електромагнітного випромінювання широко поширене при створенні систем передачі інформації по оптичних волокнах.
• Зайняли свою нішу світлодіоди і у сфері дизайну у вигляді кольорових світлодіодних стрічок, гнучких шнурів дюралайт, світлодіодних гірлянд. клуби.
• Дешевизна та чарівна привабливість LED привела до їхнього повсюдного використання в іграшках, дитячих іграх, різних USB-пристроях.
• Менш відомо, але від того не менш поширене використання світлодіодів в оптронах, що дозволяють створювати різноманітні детектори наявності, дискретні спідометри, детектори початку і кінця, а також пристрої передачі сигналу без передачі електричної напруги.

LIGHT-ua.RU - З НАМИ СВІТЛІШЕ!

світлодіодів (LED) - learn.sparkfun.com

Вступ

світлодіодів навколо нас: У наших телефонах, наших автомобілях і навіть наших будинках. Кожного разу, коли горить щось електронне, є велика ймовірність, що за ним стоїть світлодіод. у них є одна спільна риса: вони бекон електроніки. Вони широко призначені для того, щоб зробити будь-який проект кращим, і їх часто додають у неймовірні речі (на радість) всіх).

Однак, на відміну від бекону, вони не годяться, як тільки ви їх приготували. - це , Про яке всі говорять?

(тобто "ell-ee-dees") - це особливий тип діодів, які перетворюють електричну енергію на світло. Насправді світлодіод означає «світловипромінюючий діод». «(Він робить те, що говорить на банку!)

Коротше кажучи, світлодіоди схожі на крихітні лампочки. Тим не менш, для порівняння світлодіоди вимагають набагато менше енергії. Вони також більш енергоефективні, тому вони не мають тенденцію нагріватися як звичайні лампочки (якщо ви дійсно не накачуєте в них енергію). Це робить їх ідеальними для мобільних пристроїв та інших програм із низьким енергоспоживанням. Не рахуйте їх із потужної гри. Світлодіоди високої інтенсивності знайшли своє застосування в акцентному освітленні, прожекторах і навіть автомобільних фарах!

Тобі вже хочеться? Бажання поставити світлодіоди на все? Добре, залишайтеся з нами, і ми покажемо вам як!

Читання, що рекомендується

Ось деякі інші теми, які обговорюватимуться у цьому посібнику. Якщо ви не знайомі з жодним з них, будь ласка, ознайомтеся з відповідним керівництвом, перш ніж йти далі.

Що таке ланцюг?

Кожен електричний проект починається з ланцюга. Не знаєте, що таке схема? Ми тут, щоб допомогти.

Що таке електрика?

Ми можемо бачити електрику в дії на наших комп'ютерах, висвітлюючи наші будинки, як блискавки у грозах, але що це? Це не просте питання, але цей урок проливає світло на нього!

Діоди

Діодний праймер! Діодні властивості, типи діодів та застосування діодів.

Електроенергія

Огляд електроенергії, швидкість передачі енергії. Ми поговоримо про визначення потужності, ватів, рівняння та номінальні потужності. 1,21 гігават навчальних веселощів!

Полярність

Введення у полярність в електронних компонентах. Дізнайтеся, що таке полярність, у яких частинах вона є та як її ідентифікувати.

Запропонований перегляд

Як використовувати їх

Отже, ви дійшли розумного висновку, що вам потрібно поставити світлодіоди на все. Ми думали, що ти прийдеш.

Давайте пройдемося за книгою правил:

1) Питання полярності

У електроніці полярність вказує, чи є компонент схеми симетричним чи ні. Світлодіоди, будучи діодами, дозволяють струму текти лише в одному напрямку. А коли немає струму, немає світла. На щастя, це також означає, що ви не можете зламати світлодіод, підключивши його у зворотному напрямку. Скоріше це просто не спрацює.

Позитивна сторона світлодіода називається «анодім» і відзначена наявністю довшого «проводу» або ніжки. Інша негативна сторона світлодіода називається катодом . Струм тече від анода до катода, а не в протилежному напрямку. Зворотний світлодіод може перешкоджати нормальній роботі всього ланцюга, блокуючи струм. Так що не хвилюйтеся, якщо додавання світлодіода порушить ваш ланцюг. Спробуйте перевернути це.

2) Поточний струм дорівнює Моарному світлу

Яскравість світлодіода безпосередньо залежить від того, який струм він споживає. Це означає дві речі. По-перше, суперяскраві світлодіоди розряджають батареї швидше, тому що додаткова яскравість залежить від додаткової потужності, що використовується. По-друге, ви можете контролювати яскравість світлодіода, керуючи величиною струму через нього. Але встановлення настрою не єдина причина, щоб скоротити струм.

3) Є така річ, як надто велика сила

Якщо ви підключите світлодіод безпосередньо до джерела струму, він спробує розсіяти стільки енергії, скільки йому дозволено, і, подібно до трагічних героїв Олде, знищить сам себе. Ось чому важливо обмежити кількість струму, що протікає через світлодіод.

Для цього ми використовуємо резистори. Резистори обмежують потік електронів у ланцюгу та захищають світлодіод від спроб отримати надто великий струм. Не хвилюйтеся, щоб визначити найкраще значення резистора потрібна лише невелика математика. Ви можете дізнатися все про це у прикладах застосування нашого підручника з резисторів!

Резистори

1 квітня 2013 р.

Підручник з усіх речей резисторів. Що таке резистор, як вони поводяться паралельно/послідовно, декодують коди кольорів резистора та застосовують резистор.

Не дозволяй всій цій математиці налякати тебе, насправді досить складно зіпсувати все. У наступному розділі ми поговоримо про те, як зробити світлодіодну схему без калькулятора.

Світлодіоди без математики

Перш ніж ми поговоримо про те, як читати таблиці, підключимо деякі світлодіоди. Зрештою, це підручник з світлодіодів, а не підручник читання .

Це також не підручник з математики, тому ми дамо вам кілька практичних правил встановлення та експлуатації світлодіодів.Як ви, ймовірно, зібрали з інформації в попередньому розділі, вам знадобиться батарея, резистор і світлодіод. Як джерело живлення ми використовуємо акумулятор, тому що їх легко знайти і вони не можуть подавати небезпечну кількість струму.

Базовий шаблон для світлодіодної схеми є досить простим, просто підключіть батарею, резистор і світлодіод послідовно. Як це:

330 Ом Резистор

Хороше значення резистора для більшості світлодіодів. 330 Ом (помаранчевий помаранчевий коричневий). Ви можете використовувати інформацію з останнього розділу, щоб допомогти вам визначити точне значення, яке вам потрібно, але це світлодіоди без математики … Отже, почніть з підключення резистора 330 Ом у вказаний ланцюг і подивіться, що станеться.

спроб і помилок

Цікава особливість резисторів полягає в тому, що вони розсіюють додаткову потужність у вигляді тепла, тому якщо у вас є резистор, який нагрівається, вам, ймовірно, потрібно використовувати менший опір. Однак, якщо ваш резистор дуже малий, ви ризикуєте перегоріти світлодіод! Враховуючи, що у вас є кілька світлодіодів та резисторів, з якими можна пограти, наведемо схему, яка допоможе вам спроектувати схему світлодіодів методом спроб та помилок:

Throwies з батареєю типу «монета»

Ще один спосіб запалити світлодіод – просто підключити його до батареї типу «таблетка»! Оскільки осередок монети не може подавати достатній струм, щоб пошкодити світлодіод, ви можете з'єднати їх безпосередньо разом! Просто вставте монетоприймач CR2032 між виводами світлодіода. Довга нога світлодіода повинна стосуватися сторони батареї, позначеної знаком «+». Тепер ви можете обернути стрічку навколо всього цього, додати магніт та приклеїти його! Уя за підлих!

Звичайно, якщо ви не досягли хороших результатів за допомогою методу спроб і помилок, ви завжди можете дістати свій калькулятор і обчислити його. Не хвилюйтеся, легко розрахувати найкраще значення резистора для вашої схеми. Але перш ніж ви зможете визначити оптимальне значення резистора, вам потрібно знайти оптимальний струм для вашого світлодіода. Для цього нам необхідно повідомити таблицю …

Отримати детальну інформацію

Не підключайте до своїх кіл будь-які дивні світлодіоди, це просто шкідливо для здоров'я. Дізнайся їх першим. І як краще, ніж читати таблиці.

Як приклад, ми розглянемо таблицю для нашого основного червоного 5-мм світлодіода.

Світлодіодний струм

Починаючи згори і спускаючись, перше, з чим ми стикаємося, це чарівний стіл:

Ах, так, але що це все означає?

Перший рядок в таблиці вказує, який струм ваш світлодіод зможе витримувати безперервно. У цьому випадку ви можете дати йому 20 мА або менше, і він світитиме найяскравіше при 20 мА. Другий ряд каже нам, яким має бути максимальний піковий струм для коротких імпульсів. Цей світлодіод може витримувати короткі удари до 30 мА, але ви не хочете витримувати цей струм надто довго. Ця таблиця даних навіть досить корисна, щоб запропонувати стабільний діапазон струму (у третьому ряду зверху) 16-18 мА. Це хороша цільова кількість, щоб допомогти вам зробити розрахунки резисторів, про які ми говорили.

Наступні кілька рядків мають менше значення для цілей цього уроку. Зворотна напруга - це властивість діода, про яку вам не потрібно турбуватися в більшості випадків. Потужність, що розсіюється, — це кількість енергії в міліватах, яку світлодіод може використовувати до отримання пошкодження. Це повинно працювати само собою, поки ви тримаєте світлодіод у межах його рекомендованих значень напруги та струму.

Світлодіодна напруга

Подивимося, які ще столи вони тут поставили… Ах!

Це корисний стіл! У першому ряду повідомляється, яким буде падіння напруги на світлодіодах .Пряма напруга - це термін, який дуже часто зустрічається при роботі зі світлодіодами. Цей номер допоможе вам вирішити, яку напругу потрібно подати у схему на світлодіод.Якщо до одного джерела живлення підключено більше одного світлодіода, ці цифри дійсно важливі, тому що пряма напруга всіх складених разом світлодіодів не може перевищувати напругу живлення. Ми поговоримо про це докладніше пізніше у поглибленому розділі цього уроку.

LED Довжина хвилі

У другому рядку цієї таблиці вказується довжина хвилі світла. Довжина хвилі в основному дуже точний спосіб пояснити, який колір світла. Це число може змінюватись, тому таблиця дає нам мінімум і максимум. В цьому випадку це від 620 до 625 нм, що знаходиться на червоному нижньому кінці спектру (від 620 до 750 нм). Знову ж таки, ми більш детально розглянемо довжину хвилі у більш глибокому розділі.

Яскравість світлодіодів

Останній ряд (позначений «Інтенсивність світла») – це показник яскравості світлодіода. Одиниця виміру mcd, або millicandela , є стандартною одиницею вимірювання інтенсивності джерела світла. Цей світлодіод має максимальну інтенсивність 200 мкд, що означає, що він досить яскравий, щоб привернути вашу увагу, але не зовсім яскравий ліхтарик. У 200 мкд цей світлодіод буде хорошим індикатором.

Кут огляду

Далі ми маємо цей віялоподібний графік, який представляє кут огляду світлодіода. Різні типи світлодіодів включатимуть лінзи та відбивачі, щоб або сконцентрувати більшу частину світла в одному місці, або поширити його якнайширше. Деякі світлодіоди схожі на прожектори, які випромінюють фотони у всіх напрямках; Інші настільки спрямовані, що ви не можете сказати, що вони включені, якщо ви не дивитеся прямо на них. Щоб прочитати графік, уявіть, що світлодіод стоїть прямо під ним. "Спіці" на графіку представляють кут огляду.Круглі лінії є інтенсивністю у відсотках від максимальної інтенсивності. Цей світлодіод має досить тонкий кут огляду. Ви можете бачити, що якщо дивитися на світлодіод прямо вниз, це коли він найяскравіший, тому що при 0 градусах сині лінії перетинаються із зовнішнім колом. Щоб отримати кут огляду 50%, кут, при якому світло стає вдвічі менш інтенсивним, слідуйте по колу 50% навколо графіка, поки він не перетинає синю лінію, потім виконайте найближчий виступ, щоб прочитати кут.Для цього світлодіода кут огляду 50% становить близько 20 градусів.

Розміри

Зрештою, механічне креслення. Це зображення містить усі вимірювання, які вам знадобляться, щоб фактично встановити світлодіод у корпус! Зауважте, що, як і більшість світлодіодів, у цього є невеликий фланець внизу. Це дуже зручно, коли ви бажаєте встановити його на панелі. Просто просвердліть отвір ідеального розміру для корпусу світлодіода, і фланець запобігатиме його падінню!

Тепер, коли ви знаєте, як розшифрувати таблицю, погляньмо, з якими незвичайними світлодіодами ви можете зіткнутися в дикій природі.

Типи світлодіодів

Щиро вітаємо, ви знаєте основи! Можливо, ви навіть взяли до рук кілька світлодіодів і почали запалювати, це круто! Як би ви хотіли покращити свою гру? Давайте поговоримо про те, як це може виглядати за межами стандартного світлодіода.

Крупний план суперяскравого 5-міліметрового світлодіоду крупним планом

Типи світлодіодів

Ось акторський склад інших персонажів.

RGB світлодіодів

RGB (червоно-зелено-сині) світлодіоди – це фактично три світлодіоди в одному! Але це не означає, що він може зробити тільки три кольори. Оскільки червоний, зелений і синій кольори є додатковими основними кольорами, ви можете контролювати інтенсивність кожного з них, щоб створити кожен колір веселки. Більшість світлодіодів RGB мають чотири контакти: по одному для кожного кольору та загальний висновок. В одних загальний контакт – це анод, а в інших – катод.

RGB із загальним прозорим катодним світлодіодом

світлодіодів з інтегральними схемами

Велоспорт

Деякі світлодіоди розумніші за інші. Візьміть, наприклад, світлодіодний індикатор. Всередині цих світлодіодів фактично є інтегральна схема, яка дозволяє світлодіоду блимати без будь-якого зовнішнього контролера.

5-міліметровий світлодіод з повільним циклом крупним планом

Просто увімкніть його і дивіться! Вони добре підходять для проектів, у яких потрібно трохи більше дій, але немає місця для схем управління. Є навіть миготливі світлодіоди RGB, які перемикаються між тисячами кольорів!

Світлодіоди, що адресуються

Інші типи світлодіодів можуть керуватися індивідуально. Існують різні набори мікросхем (WS2812, APA102, UCS1903 та багато інших), які використовуються для керування окремим світлодіодом, з'єднаним у ланцюжок. Нижче наведено крупний план WS2812. Велика квадратна IC праворуч контролює кольори індивідуально.

Адреса WS2812 PTH Close Up

Вбудований резистор

Що то за магія? Світлодіод із вбудованим резистором? Це вірно. Є також світлодіоди, які включають невеликий резистор обмеження струму.Якщо ви уважно подивіться на зображення нижче, на стійці є невелика чорна квадратна ІВ для обмеження струму на світлодіодах цих типів.

Світлодіод із вбудованим резистором Close Up

Отже, підключіть світлодіод із вбудованим резистором до джерела живлення та увімкніть його! Ми протестували ці типи світлодіодів на 3,3, 5 і 9 ст.

Супер яскравий зелений світлодіод із вбудованим резистором.

Примітка: Таблиця даних для світлодіодів з вбудованим резистором вказує, що пряма напруга, що рекомендується, становить близько 5 В. При тестуванні одного на 5 В, напруга близько 18 мА. Стрес-тест з батареєю 9 В, напруга близько 30 мА. Це, ймовірно, на вищому кінці вхідної напруги. Використання вищої напруги може скоротити термін служби світлодіода. При напрузі близько 16 В світлодіод згас.

Пакети для поверхневого монтажу (SMD)

SMD-світлодіоди – це не стільки специфічний тип світлодіода, скільки тип корпусу. У міру того, як електроніка стає все менше і менше, виробники придумали, як розмістити більше компонентів у меншому просторі. Компоненти SMD (пристрої поверхневого монтажу) являють собою крихітні версії своїх стандартних аналогів.

Адреса WS2812B Close Up

SMD світлодіодів бувають кількох розмірів, від досить більших до менших розмірів, ніж рисове зерно! Оскільки вони такі маленькі та з подушками замість ніг, з ними не так легко працювати, але якщо ви обмежені у просторі, вони можуть бути саме тим, що лікар прописав.

також спрощують та прискорюють процес вибору та розміщення машин, завдяки чому може розмістити світлодіодів на друкованих платах і смужках.Ви, ймовірно, не будете вручну паяти всі ці компоненти вручну.

Висока потужність

від таких виробників, як Luxeon та CREE, шалено яскраві. Вони яскравіші за суперяскраві! Як правило, світлодіод вважається потужним, якщо він може розсіювати 1 Вт або більше потужності. Це химерні світлодіоди, які ви знайдете в дійсно гарних ліхтариках. Їх можна навіть побудувати для прожекторів та автомобільних фар. Оскільки через світлодіод проходить так багато енергії, для цього часто потрібні радіатори. Радіатор - це, по суті, шматок теплопровідного металу з великою площею поверхні, завданням якого є передача якнайбільшої кількості відпрацьованого тепла в навколишнє повітря. Може бути деяке тепловиділення, вбудоване в конструкцію деяких комутаційних щитів, таких як показана нижче.

можуть виділяти стільки тепла, що можуть пошкодити себе без належного охолодження. Не дозволяйте терміну «відпрацьоване тепло» обдурити вас, хоча ці пристрої, як і раніше, неймовірно ефективні порівняно зі звичайними лампами. Для керування можна використовувати світлодіодний драйвер постійного струму.

Спеціальні світлодіоди

Є навіть світлодіоди, які випромінюють світло поза нормальним видимим спектром. Наприклад, ви, мабуть, використовуєте інфрачервоні світлодіоди щодня. Вони використовуються в таких речах, як телевізійні пульти для відправки невеликих фрагментів інформації у вигляді невидимого світла! Вони можуть виглядати як стандартні світлодіоди, тому їх важко відрізнити від звичайних світлодіодів.

На протилежному кінці спектру ви можете отримати ультрафіолетові світлодіоди. Ультрафіолетові світлодіоди зроблять деякі матеріали флуоресцентними як чорне світло! Вони також використовуються для дезінфекції поверхонь, тому що багато бактерій чутливі до ультрафіолетового випромінювання. Вони також можуть бути використані для виявлення підроблених (рахунки, кредитні картки, документи тощо), сонячні опіки, список можна продовжувати. Будь ласка, одягайте захисні окуляри під час використання цих світлодіодів.

Ультрафіолетовий світлодіод оглядає законопроект США

Більше світлодіодів

З такими модними світлодіодами, як вони, немає жодного виправдання, щоб щось не було освітлено. Однак, якщо ваша спрага знань про світлодіоди не була вгамована, тоді читайте далі, і ми почнемо розбиратися зі світлодіодами, кольором і яскравістю світла!

Delving Deeper

Отже, ви закінчили зі світлодіодами 101 та хочете більше? О, не хвилюйся, у нас є більше. Давайте почнемо з науки про те, що змушує світлодіоди цокати… помилятися… блимати. Ми вже згадували, що світлодіоди – це особливий вид діодів, але давайте трохи заглибимося в те, що це означає:

Те, що ми називаємо світлодіодом, це насправді світлодіод та упаковка, але сам світлодіод насправді крихітний! Це чіп із напівпровідникового матеріалу, який легований домішками, що створює межу для носіїв заряду. Коли струм тече в напівпровідник, він стрибає з одного боку цього кордону в інший, вивільняючи енергію в процессе.В більшості діодів ця енергія виділяється як тепла, а світлодіодах ця енергія розсіюється як світла!

Довжина хвилі світла і, отже, колір залежить від типу напівпровідникового матеріалу, що використовується для виготовлення діода.Це з тим, що структура енергетичних зон напівпровідників різниться між матеріалами, тому фотони випромінюються з різними частотами. Ось таблиця поширених світлодіодних напівпровідників за частотою:

Усічена таблиця напівпровідникових матеріалів за кольором. Повна таблиця доступна у записі у Вікіпедії для «LED»

Хоча довжина хвилі світла залежить від ширини забороненої зони напівпровідника, інтенсивність залежить від кількості потужності, що проштовхується через діод. Ми трохи поговорили про інтенсивність світла в попередньому розділі, але це не просто позначення яскравості чогось.

Одиниця виміру сили світла називається канделою, хоча, коли ви говорите про інтенсивність одного світлодіода, ви зазвичай перебуваєте в діапазоні міліканделів. Що цікаво в цьому пристрої, це те, що він не є мірою кількості світлової енергії, а фактичним показником «яскравості». Це досягається шляхом взяття потужності, що випромінюється в певному напрямку, і зважування цього числа за функцією яскравості світла. Людське око більш чутливе до деяких довжин хвиль світла, ніж до інших, і функція яскравості є стандартизованою моделлю, яка враховує цю чутливість.

Світлова інтенсивність світлодіодів може змінюватись від десятків до десятків тисяч міліканделу. Індикатор живлення на вашому телевізорі, ймовірно, близько 100 мкд, тоді як хороший ліхтарик може бути 20000 мкд. Дивитися прямо на щось яскравіше, ніж кілька тисяч мілікандел, може бути боляче; не намагайся

Падіння напруги

О, я також пообіцяв, що ми поговоримо про концепцію прямого падіння напруги. Пам'ятайте, коли ми дивилися таблицю, і я згадав, що пряма напруга всіх ваших світлодіодів, складених разом, не може перевищувати напруги вашої системи? Це пов'язано з тим, що кожен компонент у вашій схемі має , щоб розділити напругу , і величина напруги, яку кожна деталь використовує разом, завжди дорівнюватиме доступній кількості. Це називається законом напруги Кірхгофа. Таким чином, якщо у вас є джерело живлення 5, а кожен з ваших світлодіодів має пряме падіння напруги на 2,4 В, то ви не можете подавати харчування більше двох одночасно.

Закони Кірхгофа також стануть у нагоді, коли ви хочете наблизити напругу на даній частині на основі прямої напруги інших частин. Наприклад, у прикладі, який я щойно дав, є джерело живлення 5 і 2 світлодіода з падінням прямої напруги 2,4 В кожен. Звичайно, ми хотіли б включити резистор обмеження струму, чи не так? Як би ви впізнали напругу на цьому резисторі? Це просто:

5 (Напруга системи) = 2,4 (світлодіод 1) + 2,4 (світлодіод 2) + резистор

5 = 4.8 + Резистор

Резистор = 5 - 4,8

Резистор = 0,2

Отже, на резисторі 0,2! Це спрощений приклад, і це не завжди так просто, але, сподіваюся, це дасть вам уявлення про те, чому пряме падіння напруги є важливим. Використовуючи кількість напруг, яку ви виводите із законів Кірхгофа, ви також можете робити такі речі, як визначення струму через компонент, використовуючи закон Ома. Коротше кажучи, ви хочете, щоб напруга вашої системи дорівнювала очікуваному прямому напрузі компонентів вашої комбінованої схеми.

Розрахунок струмообмежувальних резисторів

Якщо вам необхідно розрахувати точне значення послідовно зі світлодіодом, що обмежує струм резистора, зверніться до одного з прикладів додатків у посібнику з резисторів для отримання додаткової інформації.

Ресурси та подальший розвиток

Ви це зробили! Ви знаєте, майже все… про світлодіоди. А тепер йди та постав світлодіоди на що завгодно! А тепер … драматична реконструкція світлодіода без струмообмежувального резистора, який перевантажений і сам перегорає:

Так… це не вражає.

Якщо ви хочете дізнатися більше про деякі теми, пов'язані зі світлодіодами, відвідайте такі підручники:

Світло

Світло – корисний інструмент для інженера-електрика. Розуміння того, як світло ставиться до електроніки, є фундаментальною навичкою для багатьох проектів.

ІЧ-зв'язок

Цей посібник пояснює, як працює звичайний інфрачервоний (ІЧ) зв'язок, а також показує, як налаштувати простий ІЧ-передавач і приймач з Arduino.

Як роблять світлодіоди

Ми познайомимося з виробником світлодіодів та дізнаємося, як виготовляються світлодіоди PTH 5 мм для SparkFun.

Електроенергія

Огляд електроенергії, швидкість передачі енергії. Ми поговоримо про визначення потужності, ватів, рівняння та номінальні потужності. 1,21 гігават навчальних веселощів!

DIY Light Скульптура

У цьому цифровому проекті з виготовлення 3D-друку, лазерного різання та домашньої електроніки ви створите гарний дизайн для робочого столу або нічного стенду.

Хочете дізнатися більше про світлодіоди?

На сторінці LED ви знайдете все, що вам потрібно знати, щоб почати використовувати ці компоненти у вашому проекті.

Або перевірте деякі з цих пов'язаних повідомлень у блозі:

Посібник з паяння світлодіодів — LEDSupply BLOG

Пайка: ось що працює!
Боротьба з паянням та руйнування ваших світлодіодів та друкованої плати (PCB) або друкованої плати з металевим сердечником (MCPCB) легко обійтися без належних інструментів, матеріалів та техніки паяння. Щоб уникнути загальних проблем зі світлодіодним паянням, ми озирнулися на наш більш ніж 20-річний досвід роботи з електронікою та виклали тут усе «що потрібно і чого не можна» для паяння на світлодіоди. Ми прагнемо допомогти вам заощадити час, гроші та уникнути розчарувань, тому, можливо, ви спробуєте другий світлодіодний проект із нами! Крім того, наприкінці є відео, яке показує процес у дії.

Почнемо з простого…

Припій - це провідний матеріал, який плавиться близько 400 градусів за Фаренгейтом і дозволяє двом металевим частинам з'єднуватися в ланцюзі. Стандартне з'єднання «точка-точка» складається з двох висновків, скажімо, катод світлодіода та анод другого світлодіода скручені та спаяні разом; це ефективніше, ніж просто скручування повідців. Інший поширений тип паяного з'єднання зустрічається на друкованих платах і MPCCB, де на платі є провідні доріжки, які ведуть до компонентів, де здійснюється паяне з'єднання. , і ми показуємо приклад у відео нижче.

Ось важливий момент, який потрібно пам'ятати.

зазвичай становить 60 відсотків олова і 40 відсотків свинцю з осердям з каніфолі (центр припою). Ядро каніфолі варто згадати, тому що воно видаляє забруднення на контактах та покращує електричне з'єднання; в основному це допомагає припою прилипати до контактного майданчика.Оскільки змусити припій текти та прилипати до поверхні іноді буває важко, знання того, що флюс знаходиться в центрі припою, означає, що ви можете допомогти уникнути цієї проблеми, цілеспрямовано розплавивши центр припою безпосередньо на поверхні. Це дозволяє отримати потік каніфолі на поверхні в першу чергу та сприяє прилипанню припою до поверхні.

Маючи та підтримуючи правильні інструменти для торгівлі

Припій: Ми віддаємо перевагу припій із вмістом олова 60/40 як свинцевий склад і товщиною 0,20 мм. Ця товщина припою ідеально підходить практично для всіх наших застосувань і це те, що ми рекомендуємо. Подробиці про припій, який ми використовуємо тут.

Праска: Наявність якісного паяльника та наконечників різних розмірів робить будь-яку роботу простішою та швидше. Багато проблем, які ми бачимо від клієнтів, пов'язані з дешевими прасками та маленькими порадами. Якщо праска недостатньо потужна або наконечник занадто маленький, то температура поверхні ніколи не стає достатньо високою, щоб рівномірно текти припій. Ми рекомендуємо принаймні 30-ватну праску, на жаль, вона може бути дорогою, і якщо ви не плануєте робити багато паяння, ці витрати можуть бути важко виправдати. Є недорогі паяльники, які підійдуть для невеликих робіт, але якщо вам потрібно багато паяти і ви хочете мінімізувати клопіт і збільшити термін служби, зробіть собі ласку і купіть хорошу праску. використовуємо таку праску.

Паяльне жало: Оскільки не всі поверхні паяльної пластини мають однаковий розмір, паяльники часто поставляються зі змінними розмірами жала; в деяких є тонкощі, а в інших є ширші підказки стилю клину. Підбір розміру наконечника до розміру поверхні може полегшити нагрівання паяльної пластини. Якщо ви не можете нанести припій на подушку, можливо це через те, що залізний наконечник занадто малий і не поширює тепло по досить широкій області.

Ще один ласий шматочок.

Якщо ваші потужні світлодіоди на радіаторі (що вони часто роблять) має сенс підключити пайку перед тим, як прикріпити світлодіод до радіатора. При спробі припаяти до світлодіода, що вже знаходиться на радіаторі, радіатор іноді може поглинути все тепло від праски та зробити нагрівання поверхні паяльного майданчика практично неможливим.

Жало для паяльної жерсті

олов'яний наконечник: Для правильного лудіння наконечника праски нанесіть на нього припій і нанесіть товстий шар. Наступний крок - стерти надлишки припою вологою губкою і, нарешті, знову нанести невелику кількість припою на наконечник.

Очищення поверхні паяння

Чиста поверхня припою: Очевидно, що чим чистіша поверхня, тим краще. В ідеалі переконайтеся, що на поверхні немає бруду, пилу, епоксидної смоли або чогось іншого.

лудіння паяльного майданчика

олов'яні поверхні (дроти, паяльна подушка або друкована плата): У нашому відео ми показуємо приклад паяння проводів до світлодіодної зірки Cree, але перед остаточним з'єднанням проводу спочатку луджені. Подібно до лудіння заліза, на проводи наносять тонкий шар припою; важливо, щоб припій прилип до дроту.Пам'ятайте наведене вище припущення, що каніфоль знаходиться в середині припою; використання середини припою допомагає краще прилипати до дроту. Крім того, у прикладі на нашому відео поверхня лудженої паяльної поверхні також стає лудженою. Прикладіть залізний наконечник до паяльної прокладки та почніть наносити припій на контактний майданчик. Припій повинен рівномірно текти по всій подушці, і як тільки він дійсно видалить праску і дозволить зміцнитися припою.

Остаточне з'єднання: На цьому етапі всю важку роботу виконано. З добре лудженим наконечником і поверхнею просто торкніться двох деталей, які припаюються разом з праскою. Припій на кожній поверхні повинен текти; швидко видаліть праску, і коли припій затвердіє, обидва компоненти повинні бути спаяні разом.

Чи може паяння бути складним?

Занапащений світлодіод від паяння

Так. Не турбуйтеся спочатку, якщо ви зіпсуєте один або два компоненти - ми все це зробили! Пам'ятайте, що праски гарячі, а світлодіоди не люблять занадто багато тепла. Будьте обережні з налаштуваннями температури вашої праски і як довго ви наносите праску на поверхню. У більшості випадків не потрібно більше кількох секунд, щоб припій стікав та прилипав до поверхні. Якщо це займе більше часу, зупиніться і двічі перевірте цей пост і перегляньте відео знову.

Допомога Додати Поради?

Якщо у вас є власні запитання чи пропозиції, будь ласка, залиште коментар, і ми зможемо додати їх до повідомлення!

Пайка світлодіодів у відео!

Як працює світлодіод 5мм?

Світлодіоди (світлодіоди) всюди навколо нас. Вони у наших будинках, наших автомобілях, навіть у наших телефонах.Світлодіоди бувають різних форм та розмірів, що дає дизайнерам можливість адаптувати їх до свого продукту. Щоразу, коли горить щось електронне, є велика ймовірність, що за ним стоїть світлодіод. Їхнє низьке енергоспоживання та невеликі розміри роблять їх відмінним вибором для безлічі різних продуктів, оскільки вони можуть бути легко інтегровані в дизайн, щоб зробити його загалом кращим пристроєм.

У минулому ми обговорювали світлодіоди високої яскравості, але в цьому пості зосередимо нашу увагу на світлодіодах 5 мм або наскрізних світлодіодах. Це типи світлодіодів, які, ймовірно, будуть у вашій меншій електроніці як світловий індикатор або щось подібне. 5-міліметрові світлодіоди споживають набагато менше струму, ніж світлодіоди високої яскравості, 20 мА порівняно з мінімумом 350 мА для потужних світлодіодів. Якщо ви стежили за нашим оригінальним постом про освоєння світлодіодів, ви повинні знати: більше струму = більше світла. Отже, очевидно, що ці 5-міліметрові світлодіоди стануть великим акцентом або світлом для дуже маленьких приміщень. Саме для цього призначені 5-міліметрові світлодіоди, вони можуть використовуватися разом у великому масиві для створення знака або якоїсь матриці, або вони можуть використовуватися власними силами для створення невеликого світлового індикатора або одного з цих крихітних ліхтариків з ланцюжком для ключів.

5-міліметрові світлодіоди дуже корисні, тому що можуть легко харчуватися від невеликого акумулятора та працювати довго.Це дозволяє легко включати їх у багато електронних пристроїв або встановлювати джерела світла там, де вони зазвичай не можуть йти. Назва 5-міліметрового світлодіода дублюється їх розмірами: епоксидний корпус у верхній частині має діаметр близько 5 мм. Ці надмалі джерела світла прості у використанні, але ми не можемо пропустити деякі кроки при налаштуванні нашої світлодіодної схеми.

5мм LED Основи

Світлодіод – це варіант базового діода. Діод – це електронний компонент, який проводить електрику лише в одному напрямку. Діоди мають те, що називається номінальною напругою прямої напруги, яка визначає мінімальну різницю напруг між анодом (+) і катодом (-), щоб дозволити електронам текти (аааа..солодка електрика). Світлодіод в основному такий самий, як і діод, з ключовою відмінністю в тому, що він генерує світло при проходженні електрики.

5-мм світлодіоди - це тип світлодіодів, які утримують матрицю на опорі стовпа, яка укладена в епоксидний купол для захисту. З'єднання тоді зроблено через дві ноги або зубці, які виходять із основи. Як ми вже згадували, діод дозволяє текти лише в одному напрямку. Це робить важливим розрізняти позитивну сторону (анод) та негативну сторону (катод). З 5 мм світлодіодами легко помітити, що ніжки різної довжини? Довга нога – це Анод, а коротше – Катод. Якщо ноги обрізані або у вас є виробник, який робить їх однакового розміру, зазвичай навколо обода 5 мм корпусу з боку катода є плоска пляма (див. нижче).

Переконайтеся, що ви завжди підключаєте позитивний заряд батареї / джерела живлення до анода, а негативний або заземлення до катода.Це дозволить переконатися, що полярність збігається, і електрика тектиме, якщо у вас достатньо вхідної напруги і загориться світлодіод 5 мм. Якщо ви підключите його назад, нічого не станеться, і ланцюг залишиться замкнутим. Щоб переконатися, що у вас є достатньо енергії для вашого світлодіода, є два ключові показники, на які слід звернути увагу при розгляді характеристик світлодіодів: пряма напруга і прямий струм.

5мм LED Напруга

Кожен світлодіод повинен вказувати «пряму напругу», яка визначає величину напруги, необхідну для проведення електрики та виробництва світла. Якщо ви спробуєте поставити щось менше, ніж ця сума, світлодіод залишиться відкритим і непровідним. Як тільки падіння напруги на світлодіоді досягне прямої напруги, ваш світлодіод загориться. Якщо у вас є кілька світлодіодів послідовно, ви повинні враховувати суму їхньої номінальної напруги.

Давайте подивимося на один із наших стандартних синіх 5-міліметрових світлодіодів. Тепер ми можемо легко побачити у специфікаціях на сторінці продукту, що світлодіод має пряму напругу близько 3,4 В. Отже, ми беремо цей світлодіод і намагаємось підключити його до батареї АА. Чи буде світлодіод щось робити? Акумулятори АА мають тільки номінальну напругу 1.5В, тому ні, нам не вистачає напруги для проведення електрики. Однак, якщо ми додамо ще одну батарею AA послідовно, наша напруга буде на рівні 3 В і ми зможемо запустити 5-міліметровий світлодіод. "Але ви сказали, що для світлодіода потрібно 3,4 В!" Так, я знаю, але коли ви кажете в таких десяткових розрядах, вам буде добре.

5мм світлодіодний струм

Тепер деякі люди думають, що їм потрібно лише подбати про напругу світлодіодів, і вони будуть гаразд. Це не бере до уваги дуже важливу частину світлодіодів, струму. Світлодіоди будуть споживати в ланцюзі стільки струму, скільки можуть, у свою чергу викликаючи підвищення температури світлодіода, поки він не згорить.

Наведений вище приклад, коли ваша вхідна напруга і пряма напруга дуже близькі, є одним із прикладів, коли вам не потрібно буде сильно турбуватися про струм. Як показує практика на нашому сайті, коли ваша вхідна напруга становить 3 В, ви можете живити будь-який з 5-міліметрових світлодіодів, крім червоних та жовтих, не турбуючись про те, щоб відстежувати струм. Це з тим, що у джерелі живлення недостатньо струму для 5 мм, що він сам спалив.

У будь-якому іншому випадку вам необхідно обмежити кількість струму, що протікає через світлодіод. З
потужними світлодіодами це робиться за допомогою постійного струму. Номінальний струм 5 мм світлодіодів набагато нижче, зазвичай близько 15-30 мА, і ми можемо контролювати струм, помістивши резистор послідовно зі світлодіодом. Саме тут ви почуєте термін «обмежуючий струм резистор», оскільки резистор гарантує, що струм, що протікає через ланцюг, значно обмежений.

5-міліметрові світлодіоди зазвичай тестуються при 20 мА, вони можуть споживати струм до 30 мА, але, на мій погляд, я зазвичай намагаюся тримати 5-міліметрові світлодіоди при 20 мА, що рекомендується для всіх специфікацій. Тепер ми повинні з'ясувати, як знайти правильний розмір резистора для ланцюга, щоб забезпечити безпеку ваших світлодіодів!

Пошук резистора відповідного розміру для світлодіодів

випускаються в широкому діапазоні розмірів, і для визначення правильного розміру вашої системи потрібна математика. Не турбуйтеся, ми робимо це дуже легко з цим калькулятором опору, який розраховує розмір резистора, який вам потрібен. Це відмінний інструмент, але завжди корисно дізнатися, як проводяться розрахунки, тому дотримуйтесь інструкцій. Щоб знайти резистор обмеження струму правильного розміру, необхідно знати дві властивості світлодіода: прямий струм і пряма напруга.

Давайте використовувати той же синій світлодіод із прикладу вище. На сторінці продукту ви побачите таблицю, зображену праворуч. У кружку видно пряму напругу (Vf) при заданому випробувальному струмі. Таким чином, ви можете бачити для цього світлодіода, при постійному струмі 20 мА, світлодіод впаде 32-36 В. Ми візьмемо середину і маємо припустити, що цей світлодіод впаде 3,4 В.

Для цього прикладу я використовуватиму 3 батарейки типу АА як джерело живлення. Кожна батарея АА має напругу близько 1,5 В, тому загалом ми маємо 4,5 В для нашого світлодіода. Ми повинні використовувати закон Ома, щоб знайти межу резистора, але спочатку ми повинні знайти напругу на ньому. Резистор і світлодіод будуть розміщені послідовно, що означає, що падіння напруги на них сумуватиметься, щоб дорівнювати вхідному напрузі. Це означає, що ми можемо легко знайти напругу, яка падатиме на резисторі, тому що ми вже знаємо, що світлодіоди дорівнюють 3.4В.

Вхідна напруга = світлодіод V _f + Напруга резистора

Напруга резистора = Вхідна напруга - світлодіод V _f

Напруга на резисторі = 4,5 В - 3,4 В

Таким чином, на резистор буде подано близько 1,1 ст. Тепер, коли ми це маємо, ми можемо використовувати закон Ома для розрахунку необхідного опору!

Опір = Напруга / струм (в амперах)

Опір = 1,1/0,02 (20 мА)

Опір = 55 Ом

Залежно від світлодіода резистор зміниться. У цьому прикладі ми можемо припустити, що необхідний резистор 55 Ом, найближчий розмір якого у нас дорівнює 60,4 тому ми б вибрали це. Якщо ви сумніваєтеся у значенні або якщо у вас є одне із запропонованих значень опору, виберіть трохи більший розмір.

І останнє, що потрібно перевірити за допомогою світлодіодів та резисторів – це потужність резистора. Всі наші резистори ¼ ват. Необхідна потужність резистора – це різниця між потужністю світлодіода та загальною потужністю ланцюга. Таким чином, у наведеному вище прикладі ми знайдемо необхідну потужність резистора.

Потужність світлодіодів = 3,4 x 0,02 А = 0,068 Вт

Загальна потужність = 4,5 x .02A = 0,09 Вт

Потужність, що розсіюється резистором = .09 — .068 = .022 Вт

¼ Вт (0,25) резистор може легко впоратися з 0,022 Вт, тому ми всі налаштовані! Встановіть резистор послідовно зі світлодіодом (на позитивному боці з'єднання), і ваше світло повністю налаштоване.

Чи не хочете пройти через пошук резистора і роботу з кількома резисторами в одному ланцюгу? Перевірте LuxDrive's DynaOhm. Це повністю регульований напівпровідниковий змінний резистор, оптимізований для заміни резисторів у 5-мм світлодіодних системах. Цей пристрій працюватиме послідовно, як резистор. Різниця в тому, що вона вже розрахована на певний струм, тому все, що вам потрібно турбуватися, це напруга.DynaOhm може споживати від 2,6 до 50 В постійного струму, тому вводите все необхідне для своїх світлодіодів.

Тепер, коли ми пройшли через всі ці кумедні розмови про напругу і струм, ми можемо поринути в те, що людям дійсно важливо, у світло, яке випромінюють ці крихітні лампочки. Колір і яскравість вимірюються кількома різними способами. Наш сайт завжди перераховує та систематизує їх, але давайте дізнаємося, як ці діоди створюють світло, яке вони роблять.

LED Довжина хвилі

В основному дуже точний спосіб пояснити колір світла. Для світлодіодів будуть відмінності в кольорі, оскільки виробничий процес є інтенсивним, і іноді є трохи інші довжини хвилі. На аркуші специфікації світлодіода 5 мм ви побачите мінімальну і максимальну довжину хвилі. .

Ця довжина хвилі фактично визначається типом напівпровідникового матеріалу, що використовується для виготовлення діода усередині цієї 5-міліметрової упаковки. Структура енергетичних зон напівпровідників варіюється між матеріалами, тому фотони випромінюються з різними частотами, що впливає світ, який ми бачимо. Нижче наведена повна таблиця наших світлодіодів і варіантів довжини хвилі.

Також доступні 5-міліметрові білі світлодіоди теплого та холодного білого кольору.

Світлодіодна яскравість

Таким чином, довжина хвилі залежить від напівпровідникового матеріалу, але інтенсивність світла залежить від струму, що подається на діод. Тому, чим вищий струм приводу, тим яскравішим буде ваш світлодіод.Яскравість світлодіодів 5 мм зазвичай вимірюється в міліканделах (мкд), але це набагато більше, ніж додавання певної кількості яскравості на будь-який світлодіод.

Цікава річ у цьому вимірі світла, кандела, у тому, що це міра кількості світлової енергії, як вимірюється більшість інших форм світла, а скоріш фактична яскравість. Це число визначається шляхом взяття потужності, що випромінюється у певному напрямку, і зважування цього числа за функцією яскравості світла. Це в основному означає, що кут променя, який ми обговоримо нижче, може впливати на світло, але також впливає на довжину хвилі. Людське око більш чутливе до деяких довжин хвиль, ніж інші, і ця модель яскравості враховує це.Ось чому світлодіоди IR 5 мм не матимуть виходу, тому що ми не можемо бачити цю довжину хвилі. Це те саме для ультрафіолету і навіть блюзу та інших поширених кольорів.

Ця яскравість (яскравість) варіюється від світлодіода до світлодіоду, як ви побачите. Кольори, як правило, нижче, від десятків до сотень, тоді як білі (і деякі кольори, які ми бачимо краще, наприклад, зелений) можуть отримувати до 20 000 мкд. Ми перераховуємо всі 5 мм світлодіоди на виході при їхньому випробувальному струмі 20 мА.

5мм Кут огляду

5мм світлодіоди на нашому сайті будуть позначені за їх кольором і кутом променя. Щоб прочитати графік, уявіть, що світлодіод стоїть просто під ним. «Спіці» на графіку – це кути, а райдужні лінії – це інтенсивність у відсотках від максимальної інтенсивності.Подивіться нижче, як ми опишемо, як знайти кут огляду та яскравість під цим кутом будь-якого 5-мм світлодіода.

розсіяний 5мм LED

Часто рекомендується мати якийсь дифузор або матове покриття, якщо світлодіоди дивитися безпосередньо людським оком. Деякі 5-міліметрові світлодіоди оснащені епоксидним куполом з обробкою, яка зробить світловий потік набагато м'якшим. У нас є один білий 5-міліметровий світлодіод, який використовує це оздоблення, так що це легко для очей. Це знизить яскравість, але зробить світло краще.

Go Explore з 5-міліметровими світлодіодами

5-міліметрові світлодіоди дуже доступні та прості в експлуатації. Подивіться, що ви можете з ними зробити, варіанти безмежні. Тепер ви знаєте, як живити свої 5-міліметрові світлодіоди, визначати їх колір і яскравість, а також стежити за тим, щоб світло поширювалося туди, де воно вам потрібне. Удачі!

Яскрава ідея: як сині світлодіоди змінили світ

Нобелівську премію з фізики цього року було присуджено трьом японським ученим за винахід синіх світлодіодів — технології, яка незліченним чином торкнулася суспільства і дозволила технологіям, які американці сприймають як належне щодня.

"Сині світлодіоди дозволили використовувати світлодіоди білого світла, які можна купити в магазині та поставити у своєму будинку", - сказав Х. Фредерік Ділла, виконавчий директор і генеральний директор Американського інституту фізики в Коледж-Парку, штат Меріленд. «Можливо, у вас є [ці світлодіоди] у вашому програвачі Blu-ray або на дисплеї телевізора або екрана комп'ютера».

Без синіх світлодіодів у світі не було б смартфонів з підсвічуванням, РК-екранів телевізорів та комп'ютерів, програвачів Blu-ray, багатьох видів освітлення та незліченних інших технологічних чудес. [Top 10 нових екологічних технологій]

"Це чудовий приклад того, що [Нобелевська] премія присуджується за дуже практичне застосування", - сказала Ділла в інтерв'ю Live Science.

Висвітлення світу

Сині світлодіоди в поєднанні з червоними і зеленими світлодіодами (які були виявлені раніше) дозволяють виробляти біле світло. Нью-Йорк.

«Лампи розжарювання запалили 20 століття; 21 століття буде освітлено світлодіодними лампами», — йдеться у заяві представників Королівської академії наук Швеції. [Лампочки: розжарювання, флуоресцентні, світлодіодні (інфографіка)]

Світлодіодне освітлення приносить енергозберігаюче світло у всі куточки земної кулі. (Фото надано: NASA Earth Observatory / NOAA / DOD)

Автомобільне освітлення - це ще одна програма, де світлодіоди проникають. Ветцель сказав, що раніше світлодіоди використовувалися тільки для денних ходових вогнів, але зараз багато нових автомобілів оснащено світлодіодними фарами для нічного використання.

І охоплення світлодіодних ламп виходить за межі розвинених країн. За словами Ветцеля, близько 1,2 мільярда людей у ​​світі не мають доступу до будь-якої форми електричного освітлення. Але поєднайте світлодіод з акумуляторною батареєю та сонячним елементом, і "люди раптово отримають освітлення від мережі в будь-якому місці", сказав він. Сонячне світло заряджає акумулятор протягом дня, а світлодіод - вночі.

На додаток до генерації світла, світлодіоди можуть включати датчики, які виявляють, коли люди знаходяться в кімнаті, і вимикають світло, коли там нікого немає - вимога для будь-якого розумного будинку.

Цифрові дисплеї

В електронній промисловості світлодіоди забезпечують підсвічування рідкокристалічних дисплеїв (ЖК-дисплеїв) у багатьох смартфонах, ноутбуках та телевізорах. Світлодіоди є більш енергоефективними, ніж люмінесцентні лампи, які іноді використовуються для підсвічування, і допускають дуже тонкі дисплеї.

"Ми всі хочемо ще більше екран телевізора", - сказав Ветцель. Але щоб покрити витрати на електроенергію, великі телевізори мають бути надзвичайно енергоефективними. LED-телевізори відповідають цим вимогам, сказав він.

Blu-ray плеєри, наступники DVD-плеєрів, використовують лазери із синім світлодіодом для зчитування даних із цифрового оптичного диска. Коли ці системи переключилися з використання інфрачервоного лазера (наприклад, використовуваного у DVD-програвачах) на лазер із синім світлодіодом, стало можливим зберігати в 5-10 разів більше даних, сказав Ветцель.

в даний час досліджуються щодо їх здатності передавати дані з Інтернету через відкритий простір, аналогічно Wi-Fi. За словами Ветцеля, така система може передавати набагато більше даних, ніж один Wi-Fi. Така висока пропускна здатність можлива, тому що світлодіоди можуть вмикатися та вимикатися мільйони разів на секунду.

Чистий та зелений

Використання світлодіодів на цьому не закінчується. Технологія починає використовуватись для очищення води. В даний час очисні споруди використовують ртутні лампи для знищення мікробів у питній воді, але ці лампи споживають багато електроенергії.На противагу цьому, світлодіодні світильники можуть очищати воду безпосередньо в змішувачі, а також включати та вимикати при необхідності, що призводить до величезної економії коштів, сказав Ветцель. За його словами, зараз лише кілька компаній працюють над світлодіодним очищенням води, але через кілька років вона буде всюди.

Зростання світлодіодного освітлення відбулося в той час, коли люди тільки починали турбуватися про глобальне потепління, сказав Ветцель. Він додав, що через енергоефективність світлодіодів їх використання для освітлення всього світу зробить «екстремальний вплив» на суспільство.

За винахід синіх світлодіодів премію за фізику 2014 року було присуджено японським ученим Ісаму Акасакі, Хіроші Амано та Шуджі Накамурі вчора (жовтень.7).

Слідуйте за Танею Льюїс по телефону , Twitter і Google+ . Слідуйте за нами @livescience , Facebook & Google+ . Оригінальна стаття Live Science.