Что такое светодиод, его принцип работы, виды и основные характеристики

Светодиоды стремительно вытесняют лампы накаливания практически из всех областей, где их позиции казались непоколебимыми. Конкурентные преимущества полупроводниковых элементов оказались убедительными: низкая стоимость, долгий срок службы, а главное – более высокий КПД. Если у ламп он не превышал 5%, то некоторые производители светодиодов декларируют превращение в свет не менее 60% потребленной электроэнергии. Правдивость этих заявлений остается на совести маркетологов, но быстрое развитие потребительских свойств полупроводниковых элементов ни у кого сомнений не вызывает.

Внешний вид светодиода синего цвета.

Что такое светодиод и его принцип работы

Светодиод (СД, LED) представляет собой обычный полупроводниковый диод, изготовленный на основе кристаллов:

  • арсенида галлия, фосфида индия или селенида цинка – для излучателей оптического диапазона;
  • нитрида галлия – для приборов ультрафиолетового участка;
  • сульфида свинца – для элементов, излучающих в инфракрасном диапазоне.

Выбор данных материалов обусловлен тем, что p-n переход диодов, изготовленных из них, при приложении прямого напряжения излучает свет. У обычных диодов из кремния или германия такое свойство выражено очень слабо – свечение практически отсутствует.

Излучение светодиода не связано со степенью нагрева полупроводникового элемента, его вызывает переход электронов с одного энергетического уровня на другой при рекомбинации носителей зарядов (электронов и дырок). Свет, испускаемый в результате, является монохроматическим.

Особенностью такого излучения является очень узкий спектр, и выделить нужный цвет светофильтрами затруднительно. А некоторые цвета свечения (белый, синий) при таком принципе изготовления недостижимы. Поэтому в настоящее время распространена технология, при которой внешняя поверхность светодиода покрывается люминофором, а его свечение инициируется излучением p-n перехода (которое может быть видимым или лежать в УФ-диапазоне).

Устройство светодиода

Светодиод изначально был устроен так же, как и обычный диод – p-n переход и два вывода. Только корпус из прозрачного компаунда или из металла с прозрачным окном для наблюдения свечения. Но в оболочку прибора научились встраивать дополнительные элементы. Например, резисторы – чтобы включать светодиод в цепь нужного напряжения (12 В, 220 В) без внешней обвязки. Или генератор с делителем для создания мигающих светоизлучающих элементов. Также корпус стали покрывать люминофором, который светится при зажигании p-n перехода – так удалось расширить возможности LED.

Тенденция к переходу на безвыводные радиоэлементы не обошла и светодиоды. SMD-приборы стремительно захватывают рынок осветительной техники, имея преимущества в технологии производства. Такие элементы не имеют выводов. P-n переход монтируется на керамическом основании, заливается компаундом и покрывается люминофором. Напряжение подводится через контактные площадки.

Внутреннее устройство светодиода.

В настоящее время светотехнические устройства стали оснащаться светодиодами, изготовленными по COB-технологии. Суть её в том, что на одной пластине монтируется несколько (от 2-3 до сотен) p-n переходов, соединяемых в матрицу. Сверху все помещается в единый корпус (или формируется модуль SMD) и покрывается люминофором. У такой технологии большие перспективы, но вряд ли она полностью вытеснит другие исполнения СД.

Какие виды светодиодов существуют и где они применяются

Светодиоды оптического диапазона применяются в качестве элементов индикации и в качестве осветительных приборов. Для каждой специализации существуют свои требования.

Индикаторные светодиоды

Задача индикаторного светодиода – показать состояние прибора (наличие питания, аварийный сигнал, срабатывание датчика и т.п.). В этой сфере широко применяются LED со свечением p-n перехода. Приборы с люминофором применять не запрещено, но особого смысла нет. Здесь яркость свечения не на первом месте. В приоритете контрастность и широкий угол обзора. На панелях приборов применяют выводные светодиоды (true hole), на платах – выводные и SMD.

Осветительные светодиоды

Для освещения, наоборот, в основном применяют элементы с люминофором. Это позволяет получить достаточный световой поток и цвета, близкие к естественным. Выводные СД из этой области практически выдавлены SMD-элементами. Широкое применение находят COB-светодиоды.

В отдельную категорию можно выделить приборы, предназначенные для передачи сигналов в оптическом или ИК-диапазоне. Например, для пультов дистанционного управления бытовой аппаратурой или для охранных устройств. А элементы УФ-диапазона могут использоваться для компактных источников ультрафиолета (детекторы валют, биологических материалов и т.д.).

Внешний вид осветительного светодиода.

Основные характеристики светодиодов

Как и любой диод, LED имеет общие, «диодные» характеристики. Предельные параметры, превышение которых ведет к выходу прибора из строя:

  • максимально допустимый прямой ток;
  • максимально допустимое прямое напряжение;
  • максимально допустимое обратное напряжение.

Остальные характеристики носят специфический «светодиодный» характер.

Цвет свечения

Цвет свечения – этот параметр характеризует СД оптического диапазона. У осветительных приборов в большинстве случаев белый с различной световой температурой. У индикаторных может быть любым из видимой цветовой гаммы.

Длина волны

Этот параметр в определенной степени дублирует предыдущий, но с двумя оговорками:

  • у приборов ИК и УФ диапазонов видимого цвета нет, поэтому для них эта характеристика единственная, характеризующая спектр излучения;
  • этот параметр больше применим для светодиодов с непосредственным излучением – элементы с люминофором излучают в широкой полосе, поэтому однозначно их свечение длиной волны не охарактеризовать (какая длина волны может быть у белого цвета?).

Поэтому длина излучаемой волны – достаточно информативная цифра.

Потребляемый ток

Потребляемый ток – это рабочий ток, при котором яркость излучения оптимальна. При его небольшом превышении не происходит скорого выхода прибора из строя – и в этом его отличие от максимально допустимого. Снижение его также нежелательно – интенсивность излучения упадет.

Мощность

Потребляемая мощность – здесь все просто. На постоянном токе – это просто произведение потребляемого тока на приложенное напряжение. Путаницу в это понятие вносят производители светотехники, указывая на упаковке крупными цифрами эквивалентную мощность – мощность лампы накаливания, световой поток которой равен потоку данного светильника.

Видимый телесный угол

Кунусообразный видимый телесный угол свечения светодиода.

Видимый телесный угол проще всего представить в виде конуса, исходящего из центра источника света. Данный параметр равен углу раскрыва этого конуса. Для индикаторных светодиодов он определяет, как срабатывание сигнализации будет видно со стороны. Для осветительных элементов от него зависит световой поток.

Максимальная сила света

Максимальная сила света в технических характеристиках прибора указывается в канделах. Но на практике удобнее оказалось оперировать понятием светового потока. Световой поток (в люменах) равен произведению силы света (в канделах) на видимый телесный угол. Два светодиода с равной силой света дают разное освещение при разном угле. Чем больше угол, тем больше световой поток. Так удобнее для расчета систем освещения.

Падение напряжения

Падение напряжения при прямом токе – это напряжение, которое падает на светодиоде в открытом состоянии. Зная его, можно рассчитать напряжение, потребное, например, для открывания последовательной цепочки светоизлучающих элементов.

Как узнать, на какое напряжение рассчитан светодиод

Самый простой способ узнать номинальное напряжение светодиода – обратиться к справочной литературе. Но если попался прибор неизвестного происхождения без маркировки, то его можно подключить к регулируемому источнику питания и плавно поднимать напряжение с нуля. При определенном напряжении светодиод ярко вспыхнет. Это и есть рабочее напряжение элемента. При такой проверке надо иметь в виду несколько нюансов:

  • испытуемый прибор может быть со встроенным резистором и рассчитан на достаточно высокое напряжение (до 220 В) – не каждый источник питания имеет такой диапазон регулировки;
  • излучение светодиода может лежать вне видимого участка спектра (УФ или ИК) – тогда момент зажигания визуально не определить (хотя свечение ИК-прибора в некоторых случаях можно увидеть через камеру смартфона);
  • подключать элемент к источнику постоянного напряжения надо со строгим соблюдением полярности, в противном случае легко вывести LED из строя обратным напряжением, превышающим возможности прибора.

Если нет уверенности в знании цоколевки элемента, лучше поднять напряжение до 3…3,5 В, если светодиод не зажегся — убрать напряжение, поменять подключение полюсов источника и повторить процедуру.

Как определить полярность светодиода

Для определения полярности выводов существует несколько методов.

  1. У безвыводных элементов (включая COB) полюсность напряжения питания обозначается прямо на корпусе – символами или приливами на оболочке.
  2. Так как светодиод имеет обычный p-n переход, его можно прозвонить мультиметром в режиме проверки диодов. Некоторые тестеры имеют измерительное напряжение, достаточное для зажигания светодиода. Тогда правильность подключения можно контролировать визуально по свечению элемента.
  3. Некоторые приборы производства CCCP в металлическом корпусе имели ключ (выступ) в районе катода.
  4. У выводных элементов вывод катода более длинный. По этому признаку определить цоколевку можно только у непаянных элементов. У бывших в употреблении LED выводы укорачиваются и изгибаются для монтажа произвольным образом.
  5. Наконец, узнать расположение анода и катода возможно тем же методом, что и для определения напряжения светодиода. Свечение будет возможно только при правильном включении элемента – катод к минусу источника, анод – к плюсу.

Развитие технологий не стоит на месте. Ещё несколько десятилетий назад светодиод был дорогой игрушкой для лабораторных опытов. Сейчас без него трудно представить жизнь. Что будет дальше – покажет время.

Похожие статьи

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector