Як працює світловод

Як працює світлодіод: принцип роботи, пристрій та особливості

Багато споживачів хочуть більше дізнатися про пристрій світлодіодів, принцип роботи цих електричних приладів, а також їх технологічні особливості. Це пов'язано з популяризацією LED-освітлення загалом. Такі елементи є напівпровідникові вироби з електронно-дірковим переходом, що дозволяє формувати оптичне випромінювання.

Як виникла специфічна світлотехніка?

Перш ніж розглянути принцип роботи світлодіодів, пропонується вивчити інформацію про те, як вони були створені. Найперше повідомлення про можливість випромінювання світла за допомогою твердотільного діода належить одному британському експериментатору. Він зробив його ще 1907 року, коли описав процес електролюмінесценції.

Експерименти повторно проводилися і в російській лабораторії, але тоді їм не надали особливого значення. 1961 року перша світлодіодна технологія була запатентована співробітниками американської компанії. З того часу процеси розробки вдосконалювалися. І через якийсь час вдалося випустити елемент високої яскравості для використання у телекомунікаційній сфері.

Про основні фізичні властивості

Щоб зрозуміти принцип роботи світлодіода, необхідно розуміти, що кожен елемент – це напівпровідниковий діод, який перетворює електроенергію безпосередньо на світлове випромінювання. Коли ним проходить прямий струм, здійснюється перенесення електронів у конкретну область. У процесі переміщення відбувається перехід на інший енергетичний рівень із виділенням великої кількості світлового випромінювання.

Щоб отримати різні колірні ефекти, напівпровідниковий матеріал впроваджуються активуючі речовини. Найчастіше застосовується монохроматичне випромінювання. При такому варіанті кожного діода використовується певна довжина хвилі. Колірна гамма світіння може бути керованою.

Найбільш важливі особливості

Розглядаючи докладний пристрій та принцип роботи світлодіода, не можна не відзначити деякі особливості. Випромінювання приладів знаходиться у прямій залежності від кута спрямованості, який залежить від конструкції. Певний вплив на інтенсивність випромінювання мають:

матеріал, що застосовується безпосередньо для захисту кристала;
встановлена лінза.

Напівпровідниковий прилад здатний виділяти не тільки вузькоспрямоване, але й розсіяне світло. Температурний режим довкілля може впливати на властивості світлодіодів. Від нього залежить їхня яскравість. При підвищенні температури світіння стає тьмянішим, а при зниженні – яскравішим. У зв'язку з цим сфера експлуатації має особливе значення.

Високі вимоги пред'являються продукції, призначеної для зовнішнього застосування. Вона має справно функціонувати при значних коливаннях температур. Яскравість світла при експлуатації не повинна помітно змінюватися. Сучасні рішення дозволяють забезпечити нормальне світіння незалежно від температури навколишнього середовища.

Принцип роботи світлодіода ґрунтується на високій швидкості дії. Випромінювання з'являється протягом декількох секунд після прямого впливу електричного струму безпосередньо на напівпровідник. Прилади, що виготовляються, можуть мати технологічні відмінності, від яких залежатиме сфера застосування.

Світлодіоди типу DIP

Напівпровідникові елементи цієї категорії відносяться до слаботочних виробів, тому вони в основному застосовуються для додаткового підсвічування. Зазвичай вони встановлюються як індикатори або основні джерела в гірляндах. З появою досконаліших технологій їх виробництво суттєво скоротилося.

Принцип роботи світлодіода малої потужності порівняно простий. Як основа виступає корпус, що має циліндричну форму. Він виготовляється із епоксидної смоли. У внутрішній частині є спеціальні висновки, вставлені в друковану плату. Закруглений циліндр дозволяє створити спрямований світловий потік.

Випромінюючий елемент у вигляді кристала розміщений на катоді, який нагадує невеликий прапорець. Він за допомогою надтонкого дроту з'єднаний з анодом. Зустрічаються вироби з двома чи трьома кристалами, мають різні кольори. При необхідності в корпус впроваджується чіп, що керує, необхідний для контролю над світінням.

Для нарощування рівня світлового потоку у таких світлодіодах почали робити чотири висновки замість двох. Однак при такому варіанті нагрівання кристала значно збільшилося, що призвело до обмеження можливої сфери застосування.

Світлодіоди типу SMD

Такі елементи мають ширше призначення, що з основними характеристиками. Принцип роботи світлодіодів цього типу дозволяє організовувати освітлення різних форматів. Напівпровідникові прилади з фіксованою друкованою платою мають компактні габарити, завдяки чому вони можуть використовуватися навіть у найменших світильниках.

Базова частина корпусу, на яку фіксується кристал, має високу теплопровідність, тому відведення тепла виробляється ефективно.Зазвичай між лінзою та основним елементом укладається шар люмінофора, що надає можливість нейтралізувати ультрафіолет, а також задати певну колірну температуру. У виробах із розсіяним випромінюванням лінза не встановлюється. Сам елемент формою нагадує паралелепіпед.

Світлодіоди типу COB

Подібні елементи почали використовуватися для лампочок та ліхтарів із потужним світлодіодом. Принцип роботи виробів залишається тим самим, але до алюмінієвої основи в цьому випадку кріпляться десятки кристалів за допомогою діелектричного клейового складу. Отримана матриця обробляється одним шаром люмінофора, у результаті утворюється світлове джерело з рівномірним розподілом основного потоку.

Одним із різновидів технології є варіант з розподілом великої кількості кристалів по скляній поверхні. За цією схемою виготовляються філаментні лампи, у яких як базове джерело виступає центральний стрижень зі скла, покритий дрібними світлодіодами та оброблений люмінофором.

Технологія RGB

Принцип роботи RGB-світлодіода ґрунтується на оптичному ефекті, що дозволяє отримати різноманітні колірні відтінки внаслідок змішування трьох основних компонентів палітри. На одній матриці встановлено відразу три кристали. Для адаптації до різних умов є кілька модифікацій виробів. Вони виготовляються із загальним катодом чи анодом, котрий іноді без (з шістьма основними висновками).

Найчастіше світлова технологія використовується для оформлення рекламних щитів, декорування будов, обрамлення мостів, пам'яток архітектури та інших конструкцій. Принцип роботи кольорового світлодіода ідентичний.Однак конструктивні особливості збільшують кінцеву вартість виробів та ускладнюють схему приєднання до електричної мережі.

Основні технічні характеристики

Існує кілька параметрів, що характеризують світлодіоди.

Яскравість виявляється у одиницях сили світла. Вона пропорційна величині електричного струму, що проходить через напівпровідниковий елемент. Зі збільшенням напруги підвищується рівень яскравості.
Сила струму може бути пульсуючою або постійною. Вона може коливатися у широкому діапазоні. Індикаторні прилади можуть мати силу струму лише 20 мА, а одноватні аналоги – 300-400 мА.
Довжина хвилі впливає на колірну гаму. Її виміри виробляються в нанометрах. Межі хвилі порівнюються з базовими компонентами палітри необхідним чином.

Колірна гама випромінювання, що випускається, змінюється при введенні в напівпровідниковий матеріал хімічно активних речовин.

Принцип роботи драйвера для світлодіодів

Для отримання стабілізованого струму застосовується спеціальний пристрій, який вибирається з урахуванням таких параметрів:

певної потужності;
напруги безпосередньо на виході;
номінального струму.

Драйвери, що встановлюються, можуть бути лінійними або імпульсними. Перші їх покликані забезпечувати плавну стабілізацію електричного струму при мінливому напрузі на вході. Імпульсні прилади формують у вихідному каналі високочастотні поштовхи. Вони відрізняються високим коефіцієнтом корисної дії.

Існують ще димовані драйвери, що надають можливість налаштовувати яскравість світлодіодів. Вдень інтенсивність випромінювання можна дещо зменшити, завдяки чому вдасться заощаджувати ресурс напівпровідникових виробів та електричну енергію.

Цікаві питання

Тепер принцип роботи світлодіодів став зрозумілим, проте багато користувачів задають різні питання на цю тему.

Які параметри впливають термін служби напівпровідникового приладу? Є твердження, що світлодіоди є довговічними, але це не зовсім так. При високій силі струму в процесі експлуатації збільшується температура, тому потужніші пристрої швидше виходять з ладу.
Чи погіршується колірна передача світлодіодів із часом? При тривалій експлуатації приладів відбувається певна зміна відтінку, але в даний час немає жодних стандартів, що дозволяють висловити це в кількісному відношенні.
Чи не є пристрої шкідливими для людського ока? Будь-яких відомостей про негативний вплив напівпровідникових елементів на даний момент немає.
Чому необхідно стабілізувати електричний струм через LED-пристрій? Навіть невеликі зміни напруги можуть призвести до коливань яскравості.
Як можна отримати біле світло? Є три основні варіанти. Перший передбачає змішання компонентів палітри із застосуванням технології RGB. Другий варіант має на увазі нанесення три люмінофора безпосередньо на поверхню напівпровідникового приладу, що випромінює потік світла в ультрафіолетовому діапазоні. У третьому способі люмінофор наноситься на блакитний елемент.

Як висновок

В рамках статті вдалося детально розглянути принцип роботи світлодіоду. Для «чайників» (людей, які не знаються на сучасних технологіях LED) вона стане, мабуть, цінним посібником.У ній зібрана найповніша інформація, що стосується устрою та функціонування сучасних освітлювальних систем, що користуються високою популярністю.

Пристрій світлодіодної лампи, принцип роботи світлодіоду

Світлодіод є двопровідним напівпровідниковим джерелом світла. Коли відповідний струм подається на висновки, електрони здатні рекомбінувати з електронними дірками всередині пристрою, виділяючи енергію у вигляді фотонів. Цей ефект називається електролюмінесценцією, а колір світла визначається зазором енергетичної зони напівпровідника.

Що таке світлодіод

Світловипромінюючий діод є оптоелектронним пристроєм, здатним випромінювати світло, коли через нього проходить електричний струм. Світловипромінюючий діод тільки пропускає електричний струм в одному напрямку та виробляє некогерентне монохроматичне або поліхроматичне випромінювання від перетворення електричної енергії.

Він має кілька похідних:

Через світлову ефективність світлодіоди на сучасному етапі є 75% ринку внутрішнього та автомобільного освітлення. Вони використовуються при будівництві телевізорів із плоским екраном, а саме: для підсвічування РК-екранів або джерела електроенергії. Використовуються як основне освітлення в OLED-телевізорах.

Перші світлодіоди, що надійшли у продаж, виробляли інфрачервоне, червоне, зелене, а потім жовте світло. Вихід синього світлодіода, пов'язаний з технічним та монтажним прогресом, дозволяє покрити діапазон довжини хвилі випромінювання, що тягнеться від ультрафіолетового (350 нм) до інфрачервоного (2 тис. нм), що відповідає багатьом потребам.Багато пристроїв оснащені складовими світлодіодами (три в одному компоненті: червоний, зелений та синій) для відображення багатьох кольорів.

Світлодіодна лампа

Світлодіодні лампи – це світлотехнічні вироби для побутового, промислового та вуличного освітлення, в яких джерелом світла є світлодіоди. По суті, це набір світлодіодів і схеми живлення для перетворення мережної енергії на постійний струм низької напруги.

Світлодіодний світильник є окремим і самостійним пристроєм. Його корпус найчастіше індивідуальний за конструкцією та спеціально спроектований під різні джерела освітлення. Велика кількість ламп та їх малий розмір дозволяють розташувати їх у різних місцях, збирати панелі, використовувати для підсвічування дисплеїв, телевізорів.

Висвітлення загального призначення потребує білого світла. Принцип роботи світлодіодної лампи ґрунтується на випромінюванні світла у дуже вузькому діапазоні довжин хвиль: тобто з колірною характеристикою енергії напівпровідникового матеріалу, що використовується для виготовлення світлодіодів. Для випромінювання білого світла від світлодіодної лампи треба змішувати випромінювання від червоного, зеленого та синього світлодіодів або використовувати люмінофор для перетворення частин світла на інші кольори.

Один з методів - RGB (red, green, Blue), це використання декількох світлодіодних матриць, кожна з яких випромінює різну довжину хвиль, у безпосередній близькості, для створення загального білого кольору.

Історія створення перших ламп

Перше випромінювання світла напівпровідником датується 1907 роком та було відкрито Генрі Джозефом Раундом. У 1927 році Олег Володимирович Лосєв подав перший патент на те, що згодом називатиметься світловипромінюючим діодом.

У 1955 році Рубін Браунштейн виявив інфрачервоне випромінювання арсеніду галію — напівпровідник, який пізніше використовуватиметься Ніком Холоньяком-молодшим та С. Беваккою для створення першого червоного світлодіода у 1962 році. Протягом кількох років дослідники обмежилися деякими кольорами, такими як червоний (1962), жовтий, зелений та пізніший синій (1972).

Внесок японських учених

У 1990-х роках дослідження Shuji Nakamura та Takashi Mukai of Nichia у напівпровідниковій технології InGaN дозволили створити сині світлодіоди високої яскравості, а потім адаптуватися до білих, додавши жовтий люмінофор. Це просування дозволило використовувати нові великі програми, такі як освітлення та підсвічування телевізійних екранів та РК-екранів. 7 жовтня 2014 року Шудзі Накамура, Ісаму Акасакі та Хіроші Амано отримали Нобелівську премію з фізики за роботу над блакитними світлодіодами.

Принцип роботи пристрою

Коли діод зміщено вперед, електрони швидко рухаються через з'єднання. Вони постійно поєднуються, видаляючи один одного. Незабаром після того, як електрони починають рух від n-типу до кремнію p-типу, діод з'єднується з отворами, а потім зникає. Отже, він робить повний атом більш стабільним та дає невеликий імпульс енергії у вигляді фотона світлі.

Принцип утворення світлової хвилі

Щоб розібратися як влаштований світлодіод, необхідно дізнатися про його матеріали та їх властивості. Світлодіод є спеціалізованою формою PN-переходу, яка використовує складову з'єднання. Складовим має бути напівпровідниковий матеріал, що використовується для з'єднання.Зазвичай використовувані матеріали, включаючи кремній і германій, є простими елементами, і з'єднання, виготовлене з цих матеріалів, не випромінює світло. випромінюють світло.

Ці складові напівпровідники класифікуються за валентними зонами, які займають їх складові. матеріалів групи ІІІ-V.

Світловипромінюючий діод випромінює світло, коли він зміщений вперед. і рекомбінують як нормальний діод, щоб забезпечити протікання струму. Коли це відбувається, виділяється енергія.

Виявлено, що велика частина світла виходить з області переходу ближче до Р-типу.

Щоб отримати світло, який можна побачити, з'єднання слід оптимізувати, а матеріали повинні бути правильними.Можна додати фосфор, щоб отримати червоне світло. Для інших кольорів використовують інші матеріали. Наприклад, фосфід галію дає зелене світло, а фосфід алюмінію кальцію використовується для отримання жовтого та оранжевого світла. Більшість світлодіодів ґрунтуються на галієвих напівпровідниках.

Квантова теорія

Потік струму у напівпровідниках обумовлений обома потоками вільних електронів у протилежному напрямку. Отже, буде рекомбінація через поток цих носіїв заряду.

Рекомбінація показує, що електрони у зоні провідності спускаються до валентної зони. Коли вони перескакують з однієї смуги до іншої, то випромінюють електромагнітну енергію у вигляді фотонів, а енергія фотона дорівнює забороненій енергетичній щілині.

Відображено математичне рівняння:

H відома як стала Планка, а швидкість електромагнітного випромінювання дорівнює швидкості світла. Частотне випромінювання пов'язане зі швидкістю світла як f = c/λ. λ позначається як довжина хвилі електромагнітного випромінювання, а рівняння стане таким:

Виходячи з цього рівняння можна зрозуміти, як працює світлодіод, ґрунтуючись на тому, що довжина хвилі електромагнітного випромінювання обернено пропорційна забороненій щілині. У цілому нині повне випромінювання електромагнітної хвилі при рекомбінації має вигляд інфрачервоного випромінювання. Неможливо побачити довжину хвилі інфрачервоного випромінювання, тому що вона знаходиться поза видимим діапазоном.

Інфрачервоне випромінювання називається теплотою, тому що кремній та германієві напівпровідники не є прямими щілинними напівпровідниками, а відносяться до непрямих проміжних різновидів.Але в напівпровідниках з прямим зазором максимальний рівень енергії валентної зони та мінімальний рівень енергії зони провідності не відбувається одномоментно з електронами. Тому під час рекомбінації електронів і дірок відбувається міграція електронів із зони провідності до валентної зони, і імпульс електронної зони буде змінено.

Переваги та недоліки

Як і будь-який пристрій світлодіод також має ряд своїх особливостей, основні переваги та недоліки.

Головні переваги виглядають так:

Невеликі розміри: наприклад, можна виготовляти світлодіоди розміром із піксель (що відкриває можливість використання діодів для створення екранів з високою роздільною здатністю).
Простота складання на друкованій платі, традиційна або CMS (компонент із поверхневим монтажем).
Споживання електричної енергії нижче, ніж у лампи розжарювання, того ж порядку величини, що і люмінесцентні лампи.
Відмінна механічна стійкість.
Збираючи кілька світлодіодів, можна досягти гарного освітлення за допомогою інноваційних форм.
Тривалість життя (приблизно від 20 000 до 50 000 годин) є набагато довшою, ніж звичайна лампа розжарювання (1 тис. годин) або галогенна лампа (2 тис. годин). Той самий порядок величини, як і в люмінесцентних ламп (від 5 тис. до 70 000 годин).
Дуже низька напруга, гарантія безпеки та легкість транспортування. Для відпочиваючих є світлодіодні ліхтарики, що живляться простим ручним динамомедленним рухом (кривошипна лампа).
Світлова інерція майже нульова. Діоди включаються і вимикаються за дуже короткий час, що дозволяє використовувати при передачі ближнього сигналів (оптопари) або далекого (оптичного волокна) сигналів.Вони одразу досягають своєї номінальної сили світла.
Завдяки своїй потужності класичні 5-міліметрові світлодіоди ледь нагріваються та не можуть обпекти пальці.
Світлодіоди RGB (червоно-зелений-синій) дозволяють використовувати кольорові покращення з необмеженими можливостями варіацій.

З недоліків можна відзначити такі:

Світлодіоди, як і будь-який електронний компонент, мають максимальні межі робочої температури, а також деякі пасивні компоненти, що становлять їхню схему живлення (наприклад, хімічні конденсатори, які нагріваються залежно від середньоквадратичного струму). Тепловіддача компонентів світлодіодних лампочок є фактором, що обмежує збільшення їхньої потужності, особливо в багаточипових зборках.
За словами виробника Philips, світлова ефективність деяких світлодіодів швидко знижується. Температура прискорює падіння світлової ефективності. Philips також вказує, що колір може змінюватися на деяких білих світлодіодах і світиться зеленим, коли вони стають старшими.
Процес виготовлення світлодіода дуже енерговитратний. Знаючи основні характеристики світлодіодів, їх переваги та недоліки, можна зробити вибір - або придбати їх, або відмовитися від покупки та користуватися звичайними лампами розжарювання. Проте враховуючи економічність такого освітлення, варто замислитися над тим, що воно може стати гарною альтернативою звичним, дешевшим джерелам світла.