FAQ: коротко о главном
Светодиод — это полупроводниковый прибор, который излучает свет, когда через него проходит электрический ток в прямом направлении. Его основа — кристалл, который изначально излучает свет определённого цвета. Цвет свечения зависит от химического состава полупроводника. Чтобы получить разные оттенки белого или других цветов, используют люминофор или комбинацию материалов.
Электролюминесценция была открыта ещё в 1907 году в Британии. В то же время советский физик Олег Лосев обнаружил свечение от твердотельного диода. Однако первые практические светодиоды появились только в 1962 году. Тогда они стоили около 200 долларов за штуку и применялись в основном в научных и военных разработках.
Сегодня используется несколько основных типов: индикаторные светодиоды в пластиковом корпусе, современные люминофорные модели для белого света, мощные сверхяркие светодиоды на теплопроводящей пластине и самые мощные сборки от 10 до 100 Вт. Каждый тип имеет свои задачи: от простой индикации на приборах до освещения улиц и промышленных объектов.
На схемах светодиод изображают как обычный диод, но с двумя стрелочками, указывающими направление излучения света. У него есть анод и катод. Важно соблюдать полярность подключения, иначе прибор работать не будет.
Нельзя подключать светодиод напрямую к источнику питания — он выйдет из строя от перегрузки. Для защиты используют ограничительный резистор (для маломощных моделей) или драйвер тока (для мощных светодиодов). Эти устройства стабилизируют силу тока и защищают светодиоды от обратной полярности.
Светодиоды экономичны, долговечны и экологичны. Их КПД достигает 160 лм/Вт, срок службы — от 30 000 до 100 000 часов (до 34 лет при 8-часовом режиме работы). Они включаются мгновенно, не боятся частых включений/выключений, устойчивы к вибрации, работают при низких температурах и не содержат ртути или фосфора. Это делает их безопасными и экологически чистыми источниками света.
Сегодня светодиоды используются практически везде: в освещении жилых и промышленных помещений, в уличных фонарях, в подсветке телевизоров и смартфонов, в рекламных табло и бегущих строках, в автомобильных фарах и бытовой технике. Их универсальность сделала технологию доминирующей на рынке освещения.
Правда о светодиодах: сильные и слабые стороны
- Высокая световая отдача — до 160 лм/Вт
- Устойчивость к вибрациям и механическая прочность
- Долгий срок службы — 30 000–100 000 часов (до 34 лет при 8 ч/день)
- Широкий диапазон цветовых температур: 2700–6500 K
- Спектр формируется конструктивно, без потерь на фильтрах
- Мгновенное включение, малая инертность
- Неограниченное число циклов включения/выключения
- Разные углы излучения: 15°–180°
- Безопасность: низкие напряжения, отсутствие ртути и УФ
- Работают при низких и очень низких температурах
- Низкая стоимость индикаторных моделей
- Чувствительны к высоким температурам (перегрев сокращает срок службы)
- Нельзя подключать напрямую к источнику питания
- Требуется резистор или драйвер для стабилизации тока
- Стоимость мощных моделей выше, чем у традиционных ламп
- Недопустима обратная полярность
Я уже рассказывал о том, каким образом подразделяются на виды светодиоды. И чем больше смотрю на свою классификацию, тем больше у меня становится уверенность о том, что она правильная))) Ну вот такой я! Сам себя не похвалишь, никто не похвалит.
Мы посмотрели, что все виды не похожи друг на друга. Соответственно и конструкция светодиодов различна. Вернее, устройство практически идентично, а вот конструкция и расположение чипов разнообразно.
Рассмотрим некоторые виды LEDs, чтобы более точно понимать, что такое светодиод и как он устроен.
Но сначала разберемся как устроена работа любых светодиодов.
Как работают светодиоды
Не вдаваясь в «дебри» попробую объяснить на простом языке. Любой светодиод имеет один p-n-p переход ( электронно-дырочный переход ). С помощью процесса легирования материал n-типа получает положительные электроны, а атомы в материале p-типа насыщаются дырками. Дырки – места на внешних электронных орбитах атомов, где отсутствуют электроны.
Как только к чипу прикладывается напряжение электроны и дырки в p и n материалах стремятся «занять место» в p-n переходе. Когда носители заряда подходят к p-n-переходу, электроны вводятся в материал р-типа.
Если к n-материалу приложить отрицательное напряжение, через диод пойдет электрический ток от материал n-типа к p-типу. Такой процесс называется прямым смещением.
При переходе электронов из материала n-типа в p-тип, они меняются местами с дырками, идет выделение энергии в виде фотонов. Вообще все диоды способны испускать фотоны. Но только некоторые имеют возможность испускать видимый свет. Поэтому материал из которого производят светодиод выбирают таким образом, чтобы испускаемые фотоны находились в видимой области спектра. Каждый материал испускает фотоны со своей длиной волны, отчего зависят цвета света.
Свет, испускаемый светодиодом – белый. Из-за потерь на p-n переходе образуется тепло и как правило, достаточно сильное. Отсюда видим, что все диоды нуждаются в теплоотводе для обеспечения бесперебойной, нормальной и долговечной работы.
Устройство индикаторных светодиодов
Индикаторные диоды – одни из самых «старых». И конструкционно они несколько отличаются от SMD, COB и тем более filament диодов.
На картинке мы видим, что ничего сложного ( если не считать процесс образования света ) в светодиодах нет. Линза, как правило выполняется из эпоксидной смолы. Сейчас, наверное, есть и другой материал, но я этим не интересовался, так как «не уважаю» данный вид светодиодов и не сильно слежу за их «развитием» или «закатом». Кто как хочет, так и считает. Для меня эти диоды уже «отжили» свое.
В каждом корпусе размещены выводы анода и катода. Светодиодный чип располагается в рассеивателе. От анода к чипу подведен проводник. Хорошими считаются диоды, если проводник производят из золота. Китайцы же упростили процесс производства светодиодов и выполняют соединение из меди.
Вот и все. Остается только правильно определить «плюс с минусом», подключить диод к источнику питания и радоваться маленькому лучику света. В зависимости от линзы свет рассеивается на угол от 20 до 45 градусов. Опять же, это все зависит от производителя. Его «хотелок» и востребованности на рынке.
Они также относятся к маломощным светодиодам. За счет наличия четырех пинов для монтажа ( дополнительная механическая прочность ) широко используются в автомобилестроении. И имеет хорошую теплопроводность.
Светодиодные волокна – последняя разработка в 2015 году. Изобретены инженерами корейского института науки передовых технологий ((Korea Advanced Institute of Science and Technology, KAIST).
По утверждению самих исследователей их технология станет основой создания LED источников света на волокнах различных тканей. Пока мощность у этого типа не большая, порядка 0,3 Вт. Но в будущем ее планируется повысить, тем самым «подогнав» их к группе осветительных светодиодов. Поживем – увидем. Ну а пока посмотрим, как устроены эти пресловутые волоконные светодиоды.
За основу берется обычное волокно терефталата полиэтилена. Его погружают в раствор PEDOT:PSS (poly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate, затем идет сушка при 130 градусах в течении 30 минут. Далее на подготовленное волокно наносят OLED раствор poly-(p-phenylenevinylene) polymer organic LED (OLED), который имеет желтое свечение. Далее полученное волокно снова сушат и покрывают защитной оболочкой из фторида лития-алюминия (Lithium Fluoride/Aluminum (LiF/Al)).
Устройство осветительных светодиодов
Конструкция осветительных светодиодов отличается от индикаторных. Базовая конструкция у первых практически всегда одинаковая. Корпус имеет кристалл ( полупроводниковый чип ), подложку. На которой монтируется кристалл, выводные контакты, проводники соединения кристалла и контактов, теплоотвод и линзу.
По беглому сравнению устройств этих двух видов светодиодов сразу можно увидеть конструктивную разницу – наличие у одних теплоотвода и отсутствие его у другого. Индикаторные диоды маломощные. А соответственно выделяют мало тепла, которое рассеивается в самой линзе. Осветительные диоды припаиваются к алюминиевой подложке для рассеивания тепла по ней. Еще раз напомню, что для долгой жизни LEDs теплоотвод необходим как воздух человеку.
Различия также заметны в SMD и COB диодах. Первые имеют только один кристалл, вторые состоят из нескольких, залитых люминофором и имеющих единую линзу. В таком виде у светодиодов увеличена светоотдача, за счет большего количества кристаллов.
Первые филаменты появились в Японии в 2008 году, но по настоящему “в широком применении» о них услышали только в 2015, когда на свет стали появляться лампы на основе filament светодиодов.
Филаменты – отрезки из сапфира или стекла диаметром до 1,5 мм и длиной 3 см. В разных источниках такие диоды относят или к COB или COG ( chip on glass ). Все зависит от того, какой материал в качестве подложки будет использовать производитель. В связи с тем, что подавляющее большинство производителей всегда стремятся удешевить конечную стоимость своего товара. То применение подложки из стекла – распространенный вариант. Помимо того, что оно дешевое, так и свет от диодов, расположенных на нем, распространяется во все стороны. Но это единственное преимущество. По сравнению с сапфировой подложкой стекло плохо передает тепло и хрупкое. И естественно, что стекло применяют только в тех источниках света, которые «призваны» быть дешевыми.
На отрезке размещают 28 диодов синего свечения соединенных последовательно. Если необходимо получить более теплое свет, то в линейку из диодов добавляют красные диоды, но в любом случае их число не превышает 28. Всю «конструкцию» заливают люминофором. Один отрезок рассчитан на 0,8-1,3 Вт.
Впоследствии filament светодиоды собираются в единое целое и «запихиваются» в лампочку))) Кстати, очень интересная тема для статьи про устройство и производство ламп на основе этих чипов… Возьмем на карандаш…
Ну вот в принципе и рассмотрели устройства светодиодов по видам. Как видим, все идентично, за исключением некоторых моментов. Оставляю открытой эту статью, так как рынок светодиодов будет развиваться и в любом случае будут появляться новые экземпляры. И по мере появления материала буду дополнять статью. Если доживу…) Если есть какие-то предложения или что-то упустил, просьба указать на это в комментариях.
