Устройство и принцип работы светодиода

Светодиод относится к технологиям, без которых современную жизнь невозможно представить. Сегодня он правит светом и индикацией. 100 лет назад явление, на котором основан принцип работы LED, считалось неперспективным. Как и многие другие технологии, диодный свет долго “пролежал на заметке” в умах учёных. Лишь во второй половине прошлого века из этого получилось создать что-то стоящее. Спустя 30 лет возможности некогда случайно открытого явления были существенно расширены. Сейчас светодиод “на пике популярности”. И достойного конкурента пока что нет. Это значит, что и ближайшее будущее за ним. Поэтому грех не знать, как он устроен, работает и используется на практике.

Что такое светодиод?

Светодиод — это полупроводниковый элемент, излучающий свет при прохождении через него электрического тока. Причём свет, если речь идет о видимом диапазоне, в очень узком его промежутке. Спектр излучения зависит от материала, из которого изготовлен кристалл светодиода. Методом подбора состава удалось “заставить” светодиод светить любым цветом радуги — от красного до фиолетового. Ультрафиолетовые и инфракрасные тоже есть. Последние вы можете увидеть на торце пульта дистанционного управления от вашего телевизора.

Наше зрение не видит сигналов, которые пульт передаёт телевизору. Однако увидеть их может каждый. Включите на своём смартфоне камеру, направьте в объектив светодиод пульта, и понажимайте на кнопки. Кстати, лет 20 назад гулял миф, что излучение пульта от телека такое же опасное, как лазерное оружие. На самом деле это бабушкины сказки из книжки “Не смотри долго телевизор — ослепнешь”.

Основное применение технологии — освещение и индикация. Светодиодные лампы известны своей небывалой экономичностью и долговечностью. LED индикацию можно видеть на “каждом утюге” — она используется в гаджетах, детских игрушках, бытовой технике, транспорте. С помощью излучения, испускаемого полупроводником, передаются сигналы и информация. Тот же пульт от телека. А ещё может кто помнит — в первых телефонах до эпохи блютуза и вай-фая для передачи данных были предусмотрены ИК-порты.

Светодиодные энергосберегающие лампочки, ленты, фонарики, прожекторы, “умные” подсветки, ёлочные гирлянды, светофоры на дорогах, подсветка витрин, рекламная продукция… Везде правят эти маленькие, но удаленькие источники света.

Что такое LED? LED — это аббревиатура от слов light emitting diode, что переводится дословно, как излучающий свет диод.

История изобретения и развития технологии LED

Как и многие другие технологии, световое излучение полупроводников было обнаружено случайно. В ходе экспериментов. Его первооткрывателем считается британец Генри Раунд. В 1907 году он увидел слабое свечение при протекании электрического тока через соединение металла и карбида кремния. На катоде он отметил излучение света жёлтого, зелёного и оранжевого цветов.

Через 16 лет аналогичное явление обнаружил советский физик Олег Лосев. Он тоже не преследовал цели получить источник света, так как работал над детекторами радиоволн. В 1927 году этот эффект был запатентован под определением “световое реле”. В 1942 году Лосев умер, а его открытие на долгое время было забыто.

Стоит отметить, что учёный явление открыл, но научного объяснения ему не нашёл. А вот в перспективность выявленного им излучения он верил. Физик считал, что этот принцип в будущем будет использоваться в компактных источниках света с низковольтным питанием.

Следующие 20 лет учёным было не до света. Тем более, что в те годы с этим отлично справлялась лампа накаливания. Лишь в 1962 году американцы, можно сказать, заново открыли то, о чём 40 лет назад говорил Лосев. Технологию изучили более подробно, развили и начали серийное производство первых светодиодов.

Сначала светодиоды были только красные и жёлтые. Светили они тускло. Стоили очень дорого — 200 долларов за штуку. Чуть позже технологию освоили ещё лучше. Стоимость изделий удалось снизить, и светодиоды массово стали появляться в роли индикаторов на различной технике тех лет. Например, в карманных калькуляторах известной фирмы HP.

То, что мы сегодня называем SMD светодиодами, появилось в 1983 году. Разработки и массовое производство организовала другая известная “калькуляторная” фирма — Citizen.

Рывок ЛЕД технологии приходится на девяностые годы прошлого века, которые у нас принято называть лихими. Сделали его японцы. Было освоено производство недорогих светодиодов практически всех цветов — от красного до синего. Белые тоже появились в этот период. Они были изготовлены на основе синих с применением люминофорного покрытия.

В начале двухтысячных годов белые светодиоды начали использоваться в гаджетах — для эффективной подсветки жидкокристаллических дисплеев. Этот принцип дожил и до наших дней — LED подсветка есть в смартфонах, телевизорах, ноутбуках, планшетах, часах. Причин тому две — компактность и крайне низкое энергопотребление, что особенно важно для мобильных устройств.

Устройство светодиода

Чтобы понять принцип работы чего-либо, всегда надо начинать с изучения устройства. Классический выводной маломощный светодиод (индикаторный) состоит из следующих элементов:

1. Полупроводниковый кристалл.
2. Отражатель.
3. Проволочный вывод.
4. Металлическая арматура.
5. Корпус-линза из светопропускающего материала.
6. Выводы для подключения питания (ножки).

Главная “магия” происходит в полупроводниковом кристалле. Он изготавливается из кремния, галлия, индия, бора и их комбинаций в различных пропорциях. Поскольку излучаемый полупроводником свет довольно слабый, он собирается и направляется в нужную сторону отражателем. Металлическая арматура, ножки и проволочный “мостик” служат для подачи электрического тока на кристалл.

Из чего состоит кристалл? Он представляет собой p-n переход. Физически это область соприкосновения двух полупроводников с разными типами проводимости. Один из них обладает дырочной или положительной проводимостью, а ответный — электронной или отрицательной. Аналогичное устройство используется во многих полупроводниковых радиодеталях — обычных диодах, стабилитронах и, конечно же, в царе всех электронных компонентов — транзисторе.

Другие виды светодиодов имеют схожий принцип построения, хоть и отличаются формой, размерами, областью применения. Например, в RGB есть целых три кристалла, излучающие красный, зелёный и синий цвета. Чтобы ими можно было управлять, имеется четыре вывода (один общий и по одному на каждый из кристаллов). Мощные COB светодиоды — это целая матрица из кристаллов на алюминиевой подложке, залитых люминофором.

В целом же, независимо от типа светодиода, его устройство базируется на полупроводниковом кристалле, к которому подведено питание. Отличия заключаются только в форме, материале изготовления электронно-дырочного перехода и вольт-амперной характеристике. Последняя влияет на силу свечения, потребляемую мощность и требования к драйверу (устройство или схема для стабилизированного питания кристалла).

Больше об устройстве светодиода можно узнать из видео

Устройство светодиода

Как работает светодиод?

В p-n переходе, который реализован в любом светодиоде, есть носители электро заряда — электроны и дырки. Когда через него протекает электрическая энергия, носители противоположных зарядов двигаются навстречу друг другу, за счёт чего происходит их рекомбинация. Результат этого процесса — излучение фотонов света. Последний собирается отражателем, и направляется через линзу и люминофорный материал наружу.

От чего зависит цвет светодиода? Спектр излучения у них очень узкий. Цвет свечения или длина волн испускаемых фотонов зависит от того, из каких материалов изготовлены элементы полупроводникового перехода. Подбирая комбинации этих материалов, можно добиться любой длины волны, начиная с ультрафиолета и заканчивая инфракрасным излучением.

В некоторых типах светодиодов цвет свечения достигается за счёт люминофора — материала, который пропускает свет, меняя длину его волны. Так работают многие белые ультраяркие модели. Изначально кристалл в них излучает синий свет, а после прохождения через люминофор получается белый. Путём подбора состава люминофора получают светодиоды, светящие светом разной цветовой температуры — от тёплого красно-оранжевого до дневного белого с синеватым оттенком.

Базовый принцип работы трёхцветных светодиодов абсолютно такой же. Белый и любые другие оттенки получают за счёт управления силой тока через красный, синий и зелёный кристаллы. Делать это можно как вручную, так и с помощью заранее прописанной программы. Это широко применяется в различных умных подсветках, разноцветных светильниках и РГБ-лентах.

Различия и сходства с обычным диодом

У диода и его светящегося собрата есть несколько характерных сходств и различий. В первую очередь это касается способности пропускать электрический ток только в одном направлении. Именно поэтому для питания светодиодов нужен источник постоянного тока. Для подключения к источнику переменного тока используются выпрямляющие схемы. Кстати, из его собратьев — обычных диодов.

Второе сходство заключается в том, что для элементов данного типа применяется понятие — падение напряжения. Это означает, что на диоде и светодиоде подаваемое напряжение источника питания снижается ровно на величину, равную падению напряжения конкретной модели полупроводника. Знание этого сходства позволяет правильно проверить светодиод на работоспособность, а также безопасно подключить его к любому источнику питания.

Что происходит с диодами и светодиодами при подаче на них питания неправильной полярности? Такое часто бывает на практике, поскольку выводы этих элементов не подписаны (хотя различия есть, и о них будет рассказано ниже). При переполюсовке происходит то, что специалисты называют пробоем диода. Физически это означает разрушение электронно-дырочного перехода и потерю работоспособности.

У диода и светодиода есть ещё один близкий сородич, которого начинающие радиолюбители часто путают с первым. Это стабилитрон. Компонент предназначен для получения определённого стабильного напряжения. Что примечательно, работает стабилитрон в постоянном режиме пробоя. При этом деталь не портится, а наоборот, так выполняет свою работу в схеме. В отличие от своих сородичей подключается стабилитрон в обратной полярности, то есть, наоборот.

Очевидным различием между диодом и светодиодом является способность излучать свет. Диод этого делать “не умеет”. Разве что, если подать на него напряжение, существенно превышающее номинал. Тогда и диод засветится. Только ненадолго, и с дымком.

Это интересно. Светодиод в отличие от той же лампы накаливания “умеет” не только потреблять электроэнергию, но и вырабатывать её. При попадании на электронно-дырочный переход видимого света происходит выработка энергии. Однако не спешите покупать много светодиодов, чтобы соорудить домашнюю “солнечную электростанцию”. Энергия, которую способен выработать малюсенький п-н переход, мизерна. Чтобы зажечь от неё всего один светодиод, придётся собрать “батарею” из доброй сотни его сородичей. Умельцы не раз это делали. Правда, не из светодиодов, а из советских транзисторов, предварительно спилив с них часть непроницаемого для света корпуса.

Главные плюсы технологии LED

Как у источника искусственного света у светодиодов немало преимуществ:

• низкое энергопотребление;
• высокая светоотдача;
• возможность получения света любого цвета и температуры;
• отсутствие стеклянных компонентов, которые могут разбиться;
• стойкость к вибрациям;
• отсутствие в составе токсичных веществ (вроде ртути в люминесцентных лампах);
• небольшие размеры;
• малый вес;
• большой ресурс.

Все эти достоинства сделали технологию лидеров в таких областях, как освещение, индикация и декор.

“Проблемы” технологии

Куда же без ложки дёгтя в бочке мёда… Недостатки тоже имеются. Но технически они все легко решаются. За исключением, пожалуй, одного. И это — высокая себестоимость светодиодов. Производители уже два десятка лет обещают, что вот-вот светодиодные источники света существенно подешевеют. Но на практике этого не происходит. Отчасти потому, что продукция постоянно развивается и улучшается. Понятно, что за наш с вами счёт.

Тем не менее, есть и решаемые недостатки:

1. Однополярность — светодиод работает только на постоянном токе прямой полярности, перепутав которую его легко сжечь. Решается проблема наличием ровных рук, знаний и расчёта.
2. Сложность плавной регулировки яркости — для этих целей плохо подходят линейные регуляторы наподобие диммеров для ламп накаливания. Чтобы управлять яркостью полупроводника, целесообразнее применять широтно импульсную модуляцию (ШИМ).
3. Высокая чувствительность к силе тока — если её превысить, светодиод моментально сгорает. Поэтому подключаются они всегда через токоограничивающие элементы — резисторы.
4. Склонность к деградации из-за нагрева — несмотря на то, что светодиоды преобразуют электроэнергию в свет раз в 7 эффективнее, чем лампа накаливания, они тоже сильно нагреваются во время работы. Обусловлено это микроскопическими размерами кристалла. Решение проблемы — установка мощных светодиодов на теплоотводящие материалы.
5. Узкий пучок света — кристалл вместе с отражателем представляют собой “однобокое светило”, которое освещает сектор, максимум, в 120 градусов. Эта проблема обусловлена спецификой устройства. Решается несколькими способами — линзами, рассеивающими колпаками.

Ещё стоит отметить не очень высокий индекс или коэффициент цветопередачи. Эта проблема обусловлена тем, что полупроводник излучает свет узкого спектра. Та же лампа накаливания в этом плане намного лучше. Но светлые умы работают над этим и, надо признать, добились немалых успехов. Сейчас качественные светодиодные светильники могут похвастаться индексом цветопередачи в пределах 80-90. Такой уровень принято считать приличным.

Разновидности

Полупроводниковые источники света классифицируются по назначению и типу. В зависимости от того, с какой целью они используются, различают:

1. Осветительные.
2. Индикаторные.
3. Декоративные.
4. Узкоспециализированные.

А вот какие бывают светоизлучающие диоды по типу:

• маломощные выводные;
• RGB;
• инфракрасные;
• ультрафиолетовые;
• SMD;
• COB;
• Филаментные;
• OLED.

Рассмотрим их особенности, отличия, сферы использования.

Маломощные индикаторные светодиоды

Простейшие светодиоды DIP — полупроводниковый кристалл заключён в линзу из светопропускающего материала. Для подачи питания имеют длинные выводы — анод и катод (плюс и минус). Светят сравнительно слабо, а потому используются в основном для индикации. Начинающие радиолюбители внедряют их в свои первые схемы. В карманных фонариках тоже встречаются. Среди выводных светодиодов есть супер яркие. Собрав из них группу, можно добиться приличной яркости.

RGB светодиоды

Выпускаются в таком же форм-факторе, что и предыдущие. Визуально отличаются наличием четырёх выводов — один катод и три анода. Внутри линзы на индивидуальных арматурах установлены три кристалла из разных материалов. Если подавать питание на каждый из них отдельно, то такой светодиод будет светиться красным, синим или зелёным. Если на все кристаллы подать одинаковый ток, получится белый свет (результат смешения красного, синего и зелёного). Регулируя плавно ток каждого кристалла, можно получать практически любые цвета радуги.

Инфра и ультра светодиоды

Инфракрасные и ультрафиолетовые светодиоды не излучают видимого света. Устроены они точно так же, как и обычные выводные. Только для изготовления п-н переходов используются материалы, которые излучают инфракрасные или ультрафиолетовые волны при протекании через них электрического тока. Инфракрасные светодиоды часто применяются для передачи сигналов на расстоянии. Ультрафиолетовые используются в фитолампах, сушилках, машинках для проверки подлинности денежных купюр.

SMD светодиоды

Кристаллы находятся на теплоотводящей подложке, не проводящей ток. Сверху полупроводник заливается люминофором, который служит для получения света нужной цветовой температуры. Также слой люминофора способствует рассеянию излучения. Выводы для подключения питания короткие. Устанавливаются такие светодиоды поверхностным монтажом. Увидеть их можно в светодиодных лентах, энергосберегающих и автомобильных лампочках. Есть как осветительные модели, так и индикаторные. В СМД исполнении выпускаются также ультрафиолетовые, инфракрасные и разноцветные варианты. Маркировка светодиодов для поверхностного монтажа — это четыре цифры, обозначающие длину и ширину их корпуса.

COB матрицы

Chip On Board — это матрица из полупроводниковых кристаллов, соединённых последовательно, параллельно или смешанным способом. Расположены на теплоотводящем материале-подложке и залиты люминофором. Как правило, имеют токоограничивающие элементы в SMD исполнении. Для питания предусмотрены два вывода. Такие элементы предназначены для получения яркого направленного света. Используются в мощных тактических фонарях, прожекторах. От чего зависит яркость свечения светодиода? Чем больше кристаллов на плате, тем ярче излучаемый матрицей свет. Конечно, при этом, увеличивается потребляемый ток и электрическая мощность.

Filament LED

Филаментные светодиоды — это сборки последовательно соединённых кристаллов, помещённых в трубку из люминофорного материала. Во включённом состоянии такая “нить” имитирует тело накала, как в лампах накаливания. Собственно, используются они для производства таких ламп. Они дают тёплый мягкий свет, потому их часто применяют при оформлении интерьеров в стилях ретро и лофт. Отличить такую лампочку для светильников от лампы накаливания можно только во выключенном состоянии — сквозь колбу видна длинная “нить”, которая заметно толще классической спирали накала.

OLED

Органические светодиоды, которые применяются для производства современных цветных дисплеев. Имеют достаточно сложное устройство и состоят из анода, подложки, катода и полимерной прослойки. Токопроводящий слой выполнен из органических материалов. Увидеть такие светодиоды затруднительно, так как они микроскопические. Однако смотрим мы на них ежедневно, так как они есть в телевизорах, мониторах, смартфонах, смарт-часах.

Обозначение светодиодов на принципиальных схемах

На принципиальных схемах все виды светодиодов обозначаются одинаково. Значок в виде треугольника с двумя выводами. Один выходит непосредственно из треугольника. Второй изображается через поперечную черту, которая обозначает минусовый вывод питания или катод. Чтобы не путать обычные диоды со светодиодами, у последних на значке есть изображение двух стрелочек, символизирующих световое излучение. При чтении схем следует иметь в виду, что электрический ток протекает от плюса к минусу, то есть светодиоды всегда подключаются в прямой полярности.

Куда и как течёт ток, учёные спорят до сих пор — от плюса к минусу или наоборот. Однако те, кто занимается в сфере электроники, условились, что ток течёт от плюса к минусу. Возможно, это и неправильно с точки зрения физики. Но зато такая чёткая условность позволяет не путаться в схемах, грамотно проектировать устройства и ремонтировать их во время эксплуатации.

Принципы питания светодиодов

Запитать светодиод куда сложнее, чем лампочку накаливания. Во-первых, на корпусах LED нет никаких обозначений относительно номинального напряжения и тока. Во-вторых, они очень чувствительны к полярности питания. В-третьих, если не ограничивать ток, идущий через кристалл, последний быстро перегревается и моментально сгорает.

Характеристики LED

Чтобы подключить светодиод к питанию, сначала надо выяснить следующие его параметры:

1. Падение напряжения. Зависит от того, из каких материалов сделаны переходы кристалла. Чем больше длина волны излучения, тем выше падение напряжения. Начиная с инфракрасных, и заканчивая ультрафиолетовыми светодиодами — падение напряжения варьируется от 1.5 до 3.2 В. Узнать этот параметр можно в специальных таблицах.
2. Номинальный ток. Любой светодиод рассчитан на какой-то определённый ток. Маломощные светятся при токе 10-20 мА. Есть и такие, которые потребляют до 80 мА. Данную характеристику тоже следует искать в таблицах.
3. Мощность. Для источников света различают две мощности. Одна измеряется ваттами, вторая люксами. Электрическую мощность можно узнать, перемножим падение напряжения на номинальный ток. Световую — по справочным таблицам.
4. Полярность. У двухвыводных светодиодов питание подаётся на анод и катод. Полярность обычно показана на всех моделях. Например, у индикаторных плюсовая ножка длиннее, а со стороны минуса на линзе есть фаска. Определить минус можно, если посмотреть на арматуру светодиода — минусовая шире, и на ней расположен кристалл. На SMD обычно есть метка в виде точки или треугольничка — они нанесены со стороны минуса.
5. Цвет. Оптические параметры зависят от типа и мощности светодиода. Определить их можно по маркировке или “по факту”.

Узнать параметры новых светодиодов не составляет никаких проблем — они указываются продавцом в описании товара. Характеристики SMD компонентов можно вычислить, если измерить длину и ширину их корпуса. Так вы узнаете маркировку, по которой в таблицах найдёте все данные.

Как запомнить термины “анод” и “катод”? О них нам толкуют с самой школы, но многие не могут запомнить — какой из них плюс, а какой минус. Есть один верный способ, который поможет раз и навсегда научиться различать эти два термина и больше никогда их не путать. Даже если вы далеки от физики и радиоэлектроники. В слове “анод” 4 буквы. Столько же в слове “плюс”. В слове “катод” их 5, как и в слове “минус”. Соответственно — анод это плюс, а катод это минус.

Питание одного светодиода

Для подключения одного светодиода нужно только ограничить ток, который пойдёт через него при подаче питания. Делается это при помощи резистора и закона Ома. Кроме того, не забывайте о полярности — плюс должен идти на анод, а минус на катод. Как рассчитать резистор для светодиода, рассказано ниже.

Питание светодиодных сборок

Светоизлучающие диоды можно собирать в группы по несколько штук, получая за счёт этого больше света. Подключать их можно тремя способами:

1. Последовательно.
2. Параллельно.
3. Смешанным способом.

При последовательном подключении элементы соединяются друг с другом противоположными выводами. Плюс к минусу. В итоге свободными останется анод первого компонента, и катод последнего. На эти выводы подаётся питание. При этом надо учитывать, что падения напряжений всех включённых в цепь светодиодов складывается. А вот ток в цепи везде одинаковый, и не должен быть большим, чем тот, на который рассчитаны детали. Последовательное подключение позволяет запитать нагрузку, напряжение которой ниже, чем у источника питания. Например, 3-вольтовые светодиоды к 12-вольтовому аккумулятору.

При параллельном подключении все светодиоды соединяются одноимёнными выводами. Получаются две общие точки — положительная и отрицательная. На них и подаётся питание. При параллельном подключении падение напряжения всей сборки будет равным номиналу каждого элемента. А вот токи, идущие через все компоненты, складываются.

При смешанном подключении используется последовательное и параллельное подключение. Это позволяет получить свет нужной яркости и подогнать нагрузку под характеристики источника питания.

Подключение светодиодов к различным источникам питания

Чтобы подключить светодиод к распространённым источникам питания, надо знать:

1. Напряжение источника питания.
2. Падение напряжения на светодиоде.
3. Номинальный ток светодиода.

Напряжение источника всегда должно быть больше падения напряжения на кристалле. Задача состоит в том, чтобы путём подбора резистивного сопротивления обеспечить номинальный ток в цепи. Логически она решается по следующему алгоритму:

1. Напряжение источника минус падения напряжения светодиода — получим “лишний” вольтаж.
2. Берём номинальный ток, который нам нужен в цепи — например, для белого светодиода это 20 мА или 0.02 А.
3. С помощью закона Ома считаем необходимое сопротивление — делим “лишний” вольтаж на нужный ток.
4. Собираем цепь — последовательно источник питания, резистор, светодиод (соблюдая полярность).
5. Радуемся, если светится и не сгорел.

В качестве примера рассчитаем схему подключения белого выводного светодиода к аккумуляторам 18650 и автомобильному.

Напряжение полностью заряженного аккумулятора 18650 — 4.2 В. Белому светодиоду надо 3 В. “Лишний” вольтаж составляет 1.2 В. Делим его на номинальный ток 0.02 А и получаем сопротивление 60 Ом.

На клеммах заряженного автомобильного аккумулятора вне бортовой сети обычно 12.6 В. Здесь “лишний” вольтаж 9.7 В. Делим на ток 0.02 А и получаем сопротивление 485 Ом.

Аналогично можно рассчитать схему для других светодиодов и источников питания.

Как правильно подключить любой светодиод смотрите в видео

Как правильно подключить любой светодиод? Питание, формула расчёта для светодиодов.

Заключение

Светодиод — одно из важнейших изобретений нашего времени, без которого много чего не было бы в нашем распоряжении. Это и энергосберегающие лампы, и умное освещение, и мощные фонарики, которые долго светят. Смартфоны, мониторы компьютеров и ноутбуков, телевизоры… Везде используются эти маленькие и эффективные источники света. Для нас неважно, кто изобрёл диод, и кто придумал извлекать из него свет. Важно то, что об этом своевременно вспомнили, довели до ума, и дали нам. Несмотря на то, что уже работают над новыми источниками света, светодиод будет править светом ещё не одно десятилетие.