Из какого материала изготавливают светодиоды?

Химический состав материалов для корпусов светодиодов

К корпусам светодиодов предъявляется несколько требований: они должны быть прозрачными, химически стабильными, герметичными, обладать высокими показателями преломления и выдерживать высокие температуры. Все корпуса светодиодов изготавливаются из полимеров;

структурные формулы некоторых из них представлены на рис. 11.8. Молекула самого простого полимера состоит из цепочки углеводородов (рис. 11.8, а). Ответвления и перекрестные связи внутри молекул полимеров приводят к образованию материалов типа резины (рис. 11.8,6). Такие материалы обладают низкой прозрачностью и не могут применяться для изготовления корпусов светодиодов. Однако хорошо известно, что оксиды часто бывают прозрачными, поэтому в химическом составе материалов для корпусов светодиодов всегда присутствует кислород.

Чаще всего корпуса светодиодов изготавливают из эпоксидной смолы (часто называемой эпоксидкой). Такие корпуса прозрачны и не деградируют при использовании их в светодиодах длинноволновой части видимой и инфракрасной областях спектра. Однако отмечено (Bartonetal., 1998), что эпоксидные смолы теряют свою прозрачность при использовании в коротковолновых СД, излучающих в голубой, фиолетовой или УФ-области спектра. Эпоксидные смолы химически стабильны до температур

120 °С. Длительное воздействие более высоких температур приводит к их пожелтению, т. е. к потере прозрачности.

На рис. 11.8, в показана эпоксидная группа, в состав которой входит кислород, связанный с двумя спаренными атомами углерода. Такие кольцевые эпоксидные группы являются составными частями структуры эпоксидной смолы, представленной на рис. 11.8, г. Твердые эпоксидные смолы — стехиометрические смеси двух жидких компонентов—вещества с эпоксидными группами и смолы, содержащей две гидроксильные группы. Смолы представляют собой маслообразные вещества, в состав которых часто входят фенольные группы. Фенольная

Рис. 11.7. Тепловое сопротивление корпусов светодиодов: а —«5 мм», б —с низким профилем, в —с низким профилем и расширительной рамкой, г — с радиатором, д — с. радиатором, смонтированным на печатной штате. Торговые марки данных корпусов: б и в —«Piranha» (HewlettPackardCorp.); г и й — «Barracuda» (LumiledsCorp.) или «Dragon» (OsramOptoSemiconductorsCorp.)

(Arik et al., 2002)

группа –С6Н4-ОН получается из фенильной –CeHs удалением одного атома водорода и его заменой на гидроксильную группу -ОН. Фениль- ная группа получается из бензола — хорошо известного шестиатомного углеродного кольца СеНе удалением одного атома водорода. В процессе реакции полимеризации при повышенной температуре эпоксидные группы объединяются с гидроксильными группами смолы.

Типичные эпоксидные смолы, применяемые для изготовления корпусов светодиодов, являются термически обрабатываемыми двухсо- ставными жидкостными системами, состоящими из вещества на основе бис-фенола-А или циклической алифатической эпоксидной смолы и ангидрида (Kumaretal., 2001). Эпоксидная смола при формировании подвергается кратковременной высокотемпературной обработке (при 120 °С). Двухсоставные системы должны быть стехиометриче- скими смесями. Композиции с большим содержанием смолы обладают более низкими температурами полимеризации, а повышение содержания отвердителя в смеси может привести к изменению цвета корпусов светодиодов. Показатель преломления эпоксидных смол близок к 1,6. К достоинствам эпоксидных смол, кроме прозрачности, можно отнести их хорошие механические свойства и высокую температурную стабильность. Однако длительная тепловая обработка эпоксидных смол при температурах выше 120 °С приводит к их обесцвечиванию и потере прозрачности. В работах Кумара и др. (Kumaretal., 2001), Горчика (Gorczyk, 2001) и Флика (Flick, 1993) описаны эпоксидные смолы, полученные не только методом термообработки, но и обработкой СВЧ и УФ.

С начала 2000 гг. для улучшения термостабильности корпусов светодиодов вместо эпоксидных смол стали применять кремний-органические соединения <силиконы),которые сохраняют свои характеристики до температур

190 °С, что значительно превышает рабочий температурный диапазон смол (Crivello, 2004). Кроме того, силикон — упругий материал (он сохраняет это свойство на протяжении нескольких десятилетий), что позволяет снижать механическую нагрузку на полупроводниковый кристалл. Силикон является полимером, основная структура которого показана на рис. 11.8,(3. Как видно, в состав силикона входят атомы кремния и кислорода, поэтому он по своим свойствам гораздо ближе к ЗЮг, чем эпоксидные смолы. Это означает, что силиконовые корпуса светодиодов обладают лучшей химической и температурной стабильностью, чем корпуса из эпоксидных смол, и гораздо реже теряют свою прозрачность. Возможно, было бы неплохо изготавливать корпуса светодиодов из материалов типа ЗЮг, обладающих такими же высокими прозрачностью и стабильностью (химической и температурной) (Crivello, 2004). Однако следует помнить, что 3i02 не имеет той упругости, которую может предложить силикон.

Шуберт Ф. Светодиоды / Пер. с англ. под ред. А.Э. Юновича. — 2-е изд. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2008. – 496 с. – ISBN 978-5-9221-0851-5.

Светодиоды. Виды и устройство. Работа и применение. Особенности

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

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

Устройство

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

Стандартный индикаторный светодиод выполнен из следующих частей:

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

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

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

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

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

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

Устройство светодиодов по технологии COB предполагает следующее:

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

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

Принцип действия

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

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

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

Разновидности

На текущий момент LED-диоды могут быть следующих видов:

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

Индикаторные LED-диоды по типу соединения делятся на:

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

По типу корпуса светодиодные элементы могут быть:

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

COB – это усовершенствованные светодиоды SMD.

Применение

Область применений светодиодов условно можно разделить на две широкие категории:

1. Освещение.
2. С использованием прямого света.

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

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

Будущее светодиодов

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

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

Типичные характеристики

Светодиоды характеризуются следующими параметрами:

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

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

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

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

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

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

Что такое светодиод. Краткое описание

В двух словах, светодиод (LED) представляет собой полупроводниковое устройство, излучающее свет при прохождении через него электрического тока. Свет возникает, когда частицы, несущие ток (известные как электроны и дырки) объединяются в полупроводниковом материале в зоне p-n перехода.

Поскольку свет генерируется в твердом полупроводниковом материале, светодиоды описываются как твердотельные устройства. Термин твердотельное освещение, которое также включает в себя органические светодиоды (OLED), отличает эту технологию освещения от других источников света, таких как лампы накаливания, галогенные лампы, флуоресцентные лампы.

Различные цвета светодиодов

Внутри полупроводникового материала светодиода электроны и дырки находятся в энергетических зонах. Ширина запрещенной зоны определяет энергию фотонов (частиц света), излучаемых светодиодом.

Энергия фотона определяет длину волны испускаемого света и, следовательно, его цвет. Различные полупроводниковые материалы с различными запрещенными зонами создают разные цвета света. Точная длина волны (цвет) могут быть настроены путем изменения состава светоизлучающей или активной области.

Светодиоды состоят из соединений полупроводниковых элементов из III и V группы периодической таблицы химических элементов Менделеева. Примерами таких материалов, которые обычно используются в производстве светодиодов, являются арсенид галлия (GaAs) и фосфид галлия (GaP).

До середины 90-х годов светодиоды имели ограниченный диапазон цветов, в частности, коммерческие синие и белые светодиоды не существовали. Разработка светодиодов на основе нитрида галлия (GaN) завершила палитру цветов и открыла множество новых устройств.

Основные материалы, используемые при изготовлении светодиодов

Основными полупроводниковыми материалами, используемыми для производства светодиодов, являются:

• InGaN: синие, зеленые и ультрафиолетовые светодиоды высокой яркости
• AlGaInP: желтые, оранжевые и красные светодиоды высокой яркости
• AlGaAs: красные и инфракрасные светодиоды
• GaP: желтые и зеленые светодиоды

Подключение светодиодов

Как уже было сказано выше, светодиоды имеют различные цвета и рабочие напряжения. Важной характеристикой светодиода является его номинальный ток. В зависимости от рабочего напряжения нам необходимо рассчитать резистор для светодиода, чтобы избежать повреждения светодиода большим током.

В электронных устройствах с напряжением питания 5 вольт для большинства маломощных светодиодов, как правило, резистора сопротивлением около 220 Ом вполне достаточно.

Светодиоды имеют полярность. Поэтому, чтобы светодиод светился, его анод должен быть соединен с плюсом источника питания, а катод с минусом. Обычно у светодиода ножка анода длиннее, чем ножка катода. К тому же, со стороны катода корпус светодиода скошен.

Не следует беспокоиться при ошибке в полярности подключения. Со светодиодом ничего не случиться, просто он не будет светиться. За исключением особого случая, когда вы подали очень большое напряжение.

Помимо простых светодиодов, существуют также RGB-светодиоды, которые могут отображать любой цвет, основанный на системе RGB. Светодиод RGB можно представить в виде отдельных трех светодиодов в одном корпусе: красный (R), зеленый (G), синий (B). Изменяя интенсивность свечения каждого из них, мы можем получить любой цвет.

У RGB светодиодов есть четыре вывода для подключения — по одному для каждого цвета (три вывода) и один для плюса (общий анод) или минуса (общий катод) питания.

Если у вас RGB светодиод с общим катодом, то схема подключения будет следующей:

Здесь мы видим, что три вывода подключаются через резисторы к источнику питания или к микроконтроллеру (например, Arduino), а четвертый вывод к минусу питания.

Если же у вас RGB светодиод с общим анодом, то схема подключения будет следующей:

Следует обратить внимание, что нужно подключать сопротивления к каждому цвету, поскольку светодиоды работают с меньшим напряжением, чем выход микроконтроллера. Обычно для светодиода красного цвета достаточно резистора сопротивлением 150-180 Ом и 75-100 Ом для зеленого и синего цвета.

Если у вас нет именно этих сопротивлений, то используйте большее сопротивление (это верно во всех случаях, когда сопротивление используется для защиты от перенапряжения — мы выбираем меньше напряжения, в пользу сохранения светодиода).

Что такое светодиод (LED)

Что такое LED и с чем его едят?

В повседневной жизни мы очень часто встречаемся с аббревиатурой LED, например, когда речь заходит о дисплеях. Что же это такое? Так вот, с английского LED расшифровывается как Light Emitting Diode, что можно дословно перевести, как “диод, испускающий свет”. Теперь все становится намного понятнее. Значит это все-таки один из видов диода, а точнее даже его особый вид. Давайте попробуем разобраться, где в повседневной жизни мы встречаемся с такими диодами и как вообще они работают.

Чаще всего можно увидеть эти 3 буквы при просмотре характеристик техники, которая имеет дисплеи. Например, матрицы телевизоров, телефонов и мониторов довольно часто оснащаются именно LED подсветкой. Если говорить проще, то LED – это световой диод, или светодиод. Уже проще, верно? Так как же он работает?

Почему светодиоды вообще работают?

Начну с того, что светодиод очень напоминает диод с PN переходом. Он работает по такому же принципу, то есть пропускает ток в одном направлении и не пропускает в другом. Зачем это нужно? Если электроны будут двигаться в одном направлении, то будут создавать ток, который в дальнейшем и будет источником света.

Теперь подробнее именно про светодиод. Он устроен не сильно сложнее простого диода. Внутри находится полупроводник с высокой степенью легирования. Спектр излучения зависит от степени легирования и материала, из которого изготовлен полупроводник. Для того, чтобы светодиод работал, нужно воздействовать на него извне, то есть к полюсу p подается напряжение (это называется прямым смещением).

Далее все происходит следующим образом. Диод смещен в прямом направлении, поэтому электроны рекомбинируют с дырками из валентной зоны и высвобождается энергия, которой достаточно для производства фотонов. Эти самый фотоны излучают свет одного света (монохромный). Правда, слой очень тонкий, и поэтому большая часть фотонов покидает переход, тем самым создавая поток света из множества основных цветов видимого спектра.

А в чем же отличие от обычного диода?

Оказывается, световой диод все же отличается от обычного (сигнального) диода. Основное отличие, конечно же, заключается именно в конструкции. Так, у светодиода есть специальная полусферическая защита, которая хранит его от ударов и других механических воздействий извне. Также очень любопытен тот факт, что светодиодный переход самостоятельно излучает довольно мало фотонов. Именно по этой причине корпус светодиода специально делают из эпоксидной смолы, которая позволяет направить фотоны, идущие в другие стороны строго вверх.

Встречаются иногда и очень необычные формы светодиодов. Среди них и прямоугольная, и цилиндрическая и даже форма в виде стрелки. Все зависит от того, куда нужно концентрировать свет, а это зависит от цели, для которой этот светодиод создается.

В чем самые главные плюсы технологии LED?

Одной из главных особенностей светодиодов является его высокий КПД. Дело в том, что обычная лампа накаливания при работе выделяет очень много тепла, а вот светодиод, напротив, остается достаточно холодным. Все это происходит из-за того, что он в большую часть света производит именно в видимом для человека спектре и не расходует энергию на ненужные длины волн. Это позволяет технологии LED серьезно доминировать над уже устаревшими лампами накаливания. Кроме того, светодиоды гораздо меньше по размеру и их можно располагать благодаря этому как угодно и где угодно.

Можно выстраивать из них целые фигуры и даже программировать последовательность того, как они загорятся с помощью мини-компьютеров. Таким образом, это дает очень большой толчок для дальнейшего развития и совершенствования, но довольно лирики.

Какие цвета может излучать светодиод?

Многие заблуждаются в том, что светодиоды светят тем цветом, в который окрашен их корпус, хотя как мы уже говорили ранее, для регулировки цвета и регулировки его интенсивности нужно подбирать подходящий полупроводниковый материал. Именно он является определяющим фактором, если нужно подобрать цвет. Однако, светодиоды могут излучать не все цвета и есть точный спектр, который получить возможно.

Наиболее распространенные цвета – это красный, желтый, зеленый и оранжевый. Это все потому, что их легче производить, а соответственно и стоят они в разы дешевле ново появившихся синих и белых. Взгляните на эту таблицу, чтобы понять, какому напряжению соответствуют итоговые цвета:

Цвета, которые бывают у светодиодов

Давайте теперь подробно остановимся на конкретных материалах, которые влияют на выбор цвета:

• арсенид галлия для получения инфракрасного (например, в пульте);
• фосфид арсенида, чтобы получить оранжевый и весь спектр от красного и до инфракрасного;
• фосфид арсенида галлия алюминия для ярко-красного, красно-оранжевого и даже желтого;
• фосфид алюминия-галлия для зеленого;
• фосфид галлия для желтого, зеленого и красного;
• нитрид галлия, чтобы получить изумрудно-зеленый;
• нитрид галлия-индия для бирюзового, синего и ближнего ультрафиолетового;
• карбид кремния для синего;
• селенид цинка и опять для синего;
• нитрид алюминия-галлия для ультрафиолета.

Взглянув на этот список можно заметить, что для некоторых цветов подойдет сразу несколько полупроводников и это действительно так. Это уже сам производитель выбирает, какие полупроводники ему выбрать. Может быть, ему легче достать именно этот тип, а не другой, или он просто дешевле. Да, вот так много разных материалов нужно, чтобы создать даже очень простенький современный телевизор, например.

Подробнее про работу светодиода

Теперь, когда мы знаем достаточно много про работу светодиода, давайте еще немного поговорим о том, как он устроен изнутри. Каждый светодиод состоит из следующих деталей:

• катод;
• анод;
• кристалл;
• отражатель;
• рассеиватель.

Каждая из этих деталей очень важна для работы светодиода. Но давайте поговорим о том, что каждый из них делает конкретно. Самые главные детали внутри светодиода – это катод и анод.

Светодиод (или led по другому)

Электроны идут от катода к аноду при подаче напряжения на устройство, благодаря чему электроны идут к PN переходу и там занимают свободные места. После этого электроны переходят на новый энергетический уровень, выделяется множество фотонов. Как мы уже говорили ранее, фотоны направляются вверх с помощью отражателя и рассеивателя.

Чем отличаются разные светодиоды и зачем нужен каждый из них?

Если говорить об основных видах LED или светодиодов, то это конечно же осветительные (используются для яркого света в помещении) и индикаторные (они для декоративных целей, например, чтобы украсить стадион или телебашню). Однако светодиоды также различают по типу конструкции:

DIP светодиоды. Это довольно простые и не очень эффективные индикаторные светодиоды. Зато стоят они достаточно дешево. Линза у них цилиндрической формы, размер, как правило, немаленький, освещение со временем ухудшается на 30%, а угол распространения света всего 120 градусов.

Так выглядит DIP

А вот более совершенная версия этих светодиодов называется Spider LED. Они уже имеют целых 4 выхода, благодаря чему теплоотвод работает гораздо лучше, а это повышает надежность и долговечность компонентов. Хочется отметить, что они часто используются в различных индикаторах салонов авто.

Если же светодиоды нужно крепить на поверхность и места вертикально очень мало, то специально для этого придумали светодиоды SMD. Они намного более плоские и как раз используются для монтажа на поверхности.

Это SMD светодиод
Оказывается, габариты SMD еще далеко не предел. Сейчас для освещения используются новые инновационные светодиоды, которые называются COB (расшифровать можно как Clip On Board). Название прямо нам намекает о том, что светодиод, а точнее несколько светодиодов закрепляется прямо на плату. Да-да, именно несколько, ведь на одной подложке может быть закреплено до девяти светодиодов сразу! Это поразительно, ведь они очень плоские и кажется, что совсем не занимают места. Кроме маленьких габаритов среди плюсов также можно отметить и то, что они очень равномерно освещают и хорошо защищены от окисления. Благодаря этим преимуществам сейчас они используются для создания фар, а также поворотников для автомобилей среднего и премиального уровня.

COB светодиод
Есть еще одна крутейшая инновация. Пока она используется не очень часто, но мы уверены, что скоро она начнет дешеветь. Называется она Filament. Ее главное преимущество, что светодиоды можно монтировать прямо на стекло, благодаря чему свет можно распространять во все стороны (на все 360 градусов!). Однако, некоторые причисляют филаментные светодиоды к COB, хотя это и неверно.

Лампочка со светодиодами Filament
В производстве некоторой одежды и обуви сейчас не обойтись без волоконных светодиодов. Ну а как вы думали одежда должна светиться? Они встраиваются внутрь пластиковых волокон и излучают свет. Иногда они используются при производстве игрушек и декоративных предметов.

Светодиоды в одежде
Наверняка вы встречали среди множества характеристик смартфонов аббревиатуру OLED. Так вот, это тоже светодиоды, только специальные. Их также иногда называют органическими светодиодами. Почему? Потому что ток в них проводят именно органические вещества. Это позволяет еще сильнее уменьшить габариты. Так, они используются для подсветки экранов смартфонов, мониторов и телевизоров.

Структура OLED

Также добавим и про то, что бывают ультрафиолетовые и даже инфракрасные светодиоды, но в обычной жизни они используются очень редко.

Как можно подсоединять светодиоды

Когда мы уже знаем достаточно много о светодиодах, давайте узнаем, как можно объединять. Для этого нам нужно их соединить. Но каким образом можно это сделать и какой способ будет лучшим?

Попробуем подсоединить последовательно

Последовательное соединения нужно, если нужно массово увеличить количество освещенности (например, регулировка уровня яркости). Подсоединив светодиоды таким способом, они будут работать как один. Рекомендуем при этом использовать в цепочке светодиоды одного типа и даже одного цвета.

Последовательное соединение LED

Несмотря на то, что ток внутри светодиодов при последовательном подключении идет один и тот же, при установке резисторов нам точно придется учитывать, что напряжение тоже будет падать последовательно. Например, исходное напряжение равно 1.2 В на один светодиод, но тогда напряжение на всех n светодиодах будет уже n * 1.2. То есть если светодиодов 3, то общее падение будет уже 3.6 В. Так как же тогда посчитать падение напряжения на резисторах? Все очень просто. Давайте предположим, что все светодиоды будут питаться от одного и того же логического устройства с напряжением 5 В. Тогда:

Обращаю ваше внимание, что среди резисторов E12 не встречается сопротивления 140 Ом, поэтому придется вариант с 150 Ом.

Как же теперь включать и выключать светодиоды?

Когда мы знаем уже достаточно много о светодиодах, пришло время узнать, как можно легко управлять их включением и выключением. Здесь схемы будут немного сложнее. Для управления мы будем использовать выходные каскады CMOS и TTL (они регулируют напряжение при высоком кпд и почти без искажений). Дело в том, что они могут использоваться как источники, так и как приемники полезного тока. А это как раз дает нам возможность пользоваться ими, как включателями и выключателями. Взгляните на эти примеры:

Теперь вы знаете достаточно много про светодиоды. Если вам понравилась статья и вы хотели бы узнать о них еще больше, то мы будет очень рады узнать от вас эту информацию в комментариях.

Светодиоды можно купить на алишке, вот по этой ссылке.

Вот в передаче “Галилео” подробно рассказывают про светодиоды, можете посмотреть:

Lumileds › Блог › Как делают светодиодные лампы

Какой должна быть светодиодная лампа, чтобы не разочаровать покупателя. Какие технологии лежат в основе производства ее частей и как это влияет на качество и долговечность всего изделия. Разбираемся в статье.

Светодиодные лампы всё энергичнее теснят на полках магазинов всех предшественников, превосходя по своим параметрам не только архаичные лампы накаливания, но и галогенки, и компактные люминесцентные источники света. И уже не важно, присматриваете ли вы лампу для люстры, или для автомобильных фар. Вопрос, какую лампочку купить, когда на витрине лежит десять похожих, перестаёт быть простым.

Не все светодиодные лампы одинаковы. Чем могут различаться лампочки разных производителей? Все обещают высокую эффективность и непревзойдённую долговечность, но всем ли обещаниям можно верить? И можно ли как-то отличить пустые обещания от обоснованных?

Светодиодный источник света — сложное устройство, собранное из десятков компонентов, каждый из которых влияет на работу всего устройства. Долговечность лампы целиком зависит от добросовестности производителя. Почему это так — станет ясно после того, как мы хотя бы в общих чертах рассмотрим физические процессы, лежащие в основе работы светодиодных ламп.

Светодиод: физические процессы и технические решения

«Правильные» полупроводники

Электропроводность вещества связана со способностью заряженных частиц — электронов или ионов, содержащихся в этой среде — достаточно свободно в ней перемещаться.

Лучшими проводниками являются металлы. Электроны могут легко перемещаться между узлами кристаллической решетки, образуя электрический ток. В диэлектриках, напротив, электроны связаны с атомами очень сильно. Оторвать электрон от атома можно, но потребуется очень большое напряжение.

Полупроводники по своим свойствам находятся где-то между проводниками и диэлектриками: электроны в них связаны с атомами сильнее, чем в металлах, но слабее, чем в диэлектриках.

Ещё одна особенность полупроводников — перенос заряда в них может происходить не только электронами. Если в атоме недостаёт электрона, он оказывается положительно заряженным — возникает квазичастица «дырка». Отрицательно заряженные электроны могут перемещаться в кристалле из одной дырки в другую и это будет похоже на перемещение в противоположном направлении положительно заряженных частиц.

В любом полупроводнике всегда есть некоторое количество свободных электронов и дырок. Вводя в полупроводник определённые примеси (этот процесс называется легированием) можно получить полупроводник с избытком электронов — n-типа, или с избытком дырок — p-типа. Соединив два таких полупроводника мы получим диод: устройство, проводящее электрический ток только в одном направлении.

Когда электрический ток проходит через p-n-переход, происходит рекомбинация дырок и электронов, которая может сопровождаться испусканием фотонов света.

И вот здесь мы вплотную подошли к техническим проблемам. Чтобы рекомбинация привела к испусканию фотона, дырки и электроны должны обладать определенной энергией. Именно поэтому не всякий полупроводниковый диод будет светиться.

Опустим длинное описание физических процессов, происходящих в диоде. Здесь становятся важны конкретные физические величины и рассмотрение на качественном уровне без соответствующих рассчётов ясности не внесёт. Для понимания того, каким путем можно преодолеть упомянутые ограничения важны два вывода.

1. Не все полупроводниковые материалы можно использовать для изготовления светодиодов. Например, годятся некоторые соединения галлия и индия, в то время как полупроводники на основе кремния свет почти не излучают.

2. Дефекты кристаллической решётки полупроводника, включения посторонних химических элементов нарушают картину рекомбинации и сильно уменьшают выход света.

Коротко о главном. Не все производители светодиодных ламп изготавливают полупроводниковые кристаллы сами — они предпочитают закупать готовые комплектующие, занимаясь только сборкой и упаковкой. Такие производители физически не могут проконтролировать качество светодиодов. Ведущие бренды держат под контролем весь производственный цикл.

Теплоотвод — это очень важно

Выше уже отмечалось, что полупроводники занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками: они обладают относительно большим удельным сопротивлением. Из-за этого при прохождении через них электрического тока они нагреваются. В тепло превращается около 80% подводимой энергии.

С этим связана еще одна техническая проблема — выделяющееся в светодиоде тепло нужно как-то отводить. Если этого не делать, температура светодиода превысит критическое значение, после которого наступит разрушение — светодиод «перегорит».

Вы наверняка слышали, что светодиоды отличаются очень маленьким энергопотреблением. Значит и тепла они выделяют мало. В чём же тогда здесь может быть проблема?

Типичный размер светодиода — 1 кв. мм. Его охлаждение происходит путём теплообмена с окружающей средой, с воздухом. При столь незначительных размерах светодиода избыточное тепло просто не успевает передаваться окружающему воздуху и температура светодиода быстро растет.

Вот почему крохотный полупроводниковый элемент монтируют на относительно большое керамическое основание, а для дополнительного теплоотвода используют токопроводящие дорожки.

Мощные светодиоды для головного света автомобиля нуждаются в особенно эффективном охлаждении. Конструкция радиатора и его размер рассчитаны так, чтобы обеспечить эффективное охлаждение лампы с учётом её размещения в фаре.

Коротко о главном. Процессы в полупроводниках очень сильно зависят от температуры. При её повышении выше критического уровня устройство необратимо выходит из строя, поэтому светодиоды нуждаются в эффективном теплоотводе. Качественные светодиодные источники света снабжаются эффективными и конструктивно очень сложными радиаторами, которые гарантируют работу устройства без перегрева.

Вернёмся к механизму излучения светодиода. В процессе рекомбинации электроны излучают фотоны в очень узком диапазоне длин волн. Фактически, излучение светодиода монохромно. Для использования в осветительных приборах такое излучение непригодно.

Чтобы расширить диапазон излучения светодиода используется люминофор — вещество, способное переизлучать поглощённую энергию в виде света. Именно плёнка люминофора жёлтого цвета видна на поверхности светодиодов. Иногда люминофор наносится на внутреннюю поверхность колпачка, которым накрывают светодиод.

Монохромное синее (или невидимое ультрафиолетовое) излучение светодиода направляется на люминофор, который переизлучает его в более длинноволновом и широком диапазоне. Такой же принцип используется в энергосберегающих и люминесцентных лампах, в которых люминофор нанесён на внутреннюю поверхность стеклянной трубки.

От качества и характеристик люминофора зависит цвет излучения светодиода, его спектр, а также долговечность. Низкокачественные люминофоры, например, быстро деградируют и яркость свечения светодиода уменьшается.

Цвет и спектральный состав люминофора влияют на восприятие и самочувствие человека, поэтому важность этой характеристики светодиода не стоит недооценивать. Это большая и многоплановая тема. Мы укажем здесь только на два аспекта, важных для выбора светодиодного источника света для автомобильных фар.

Излучение люминофора должно приближаться к спектру естественного освещения. Только тогда цвета предметов не будут искажаться. Для водителя очень важно быстро распознавать появляющиеся в свете фар предметы. Для светодиодных источников света существует особая характеристика — индекс цветопередачи. У хороших светодиодов его величина достигает 0,9 и более.

Суточные ритмы человека регулируются различными механизмами. Так, например, голубые лучи подавляют выработку гормона мелатонина, вызывающего сон. Поэтому светодиодные лампы белого цвета для фар гораздо сильнее способствуют поддержанию бодрости водителя, чем традиционные лампы.

Все эти обстоятельства сильно повышают требования к качеству люминофора, используемого при изготовлении светодиодов и технологии его нанесения.

Коротко о главном. Спектр излучения люминофора влияет не только на восприятие, но и на самочувствие человека. Кроме того, не все люминофоры одинаково долговечны. Крупные производители светодиодных источников света строго контролируют качество используемого люминофора.

Ролик об изготовлении светодиодов:

Блок питания светодиода

Для нормальной работы светодиода к нему должен подводиться электрический ток со строго определёнными параметрами. Устройство, которое обеспечивает светодиод стабилизированным током называется драйвером.

В мощных источниках света светодиоды соединяются в группы различными способами. Сборки с разной конфигурацией требуют питание разными токами при разном напряжении. Поэтому какой-либо одной универсальной схемы драйвера не существует.

Если какой-либо светодиод из сборки выходит из строя, оставшиеся продолжают работать — лампа горит, хотя и слабее. Если же из строя выходит драйвер, светодиодная лампа гаснет целиком.

Коротко о главном. Качественный драйвер — его схемотехническое решение и надёжность используемых компонентов — критически важен для долговечной работы лампы.

Беглый обзор технических трудностей, которые возникают в процессе изготовления светодиодов и источников света на их основе показывает: на долговечность и характеристики светодиодных ламп влияют многие обстоятельства:

— химическая чистота исходных веществ и используемая технология выращивания полупроводниковых кристаллов,
— характеристики используемого люминофора,
— конструкция светодиода и лампы в целом, обеспечивающая нормальный теплоотвод,
— надёжный драйвер.

Ничего из этого в магазине не проверить, можно лишь убедиться, что лампа горит. Единственный выход — довериться репутации производителя и выбирать продукцию надёжного и известного бренда.

Сегодня мы говорили об особенностях светодиодных источников света. Впереди рассказ о галогенных и ксеноновых. Подписывайтесь на обновления нашего блога, чтобы не пропустить новые полезные статьи.