Где используются светодиоды: принцип действия, схемы, примеры и т.д.

Содержание

принцип действия, схемы, примеры и т.д.

Светодиод — диод с простым P-N переходом, главной особенностью которого является то, что он испускает свет, когда через него проходит ток. Используется во многих цифровых дисплеях, а также в других типах индикаторных устройств.

Светодиод Светодиод
Обратите внимание на основы электричества и на приборы электроники.

Принцип работы светодиода

Основные рабочие характеристики любого светоизлучающего диода сходны с характеристиками обычного диода. Когда подается напряжение, то электроны двигаются от материала N-типа через P-N переход и соединяются с отверстиями в материале P-типа. В обычных диодах энергия, которая возникает в результате соединения электронов с отверстиями, выделяется в виде тепла. Однако, когда речь идет о светодиодах, то энергия в них выделяется в первую очередь в виде света.

Схема светодиода Схема светодиода

Светодиоды могут изготавливаться таким образом, что будут испускать красный, зеленый, голубой, инфракрасный или ультрафиолетовый свет. Это достигается путем изменения количества и типа материалов, которые используются в качестве присадки. Яркость света также может изменяться, что осуществляется с помощью управления количеством тока, проходящего через светодиод. Однако, как и любой другой диод, СИД имеет предельные значения тока, которые он может выдержать.

Где используются светодиоды

Одной из основных областей применения светодиодов является использование их в качестве сигнальных лампочек. Например, этот прибор может использоваться для того, чтобы проконтролировать идет ли по цепи ток или она обесточена.

Цепь с сигнальной лампочкой представляет собой ряд приборов, последовательно соединенных между собой: светодиод, резистор, выключатель и источник постоянного тока.

Схема типичной цепи с сигнальной лампочкой Схема типичной цепи с сигнальной лампочкой

Когда выключатель цепи с сигнальной лампочкой замкнут, то напряжение прямого смещения от источника тока подается на светодиод (который разработан таким образом, чтобы срабатывать только, когда имеется прямое смещение). Электроны, которые прорываются через P-N переход, соединяются с отверстиями, в результате чего энергия высвобождается в виде света. Резистор, установленный в этой цепи, ограничивает протекание тока по ней, с тем, чтобы защитить светодиод от повреждений, которые может вызвать чрезмерный ток.

Светодиоды могут также использоваться в цифровых дисплеях, например, в наручных часах или калькуляторах.

С помощью высвечивания различных комбинаций из семи элементов на дисплее можно отображать любую цифру от нуля до девяти.

Цифровой дисплей на калькуляторе из семи элементов Цифровой дисплей на калькуляторе из семи элементов

Каждый светодиод соединен последовательно с резистором и выключателем, где каждый выключатель представляет собой внешнюю управляющую цепь. Выключатели имеют обозначения от А до G, чтобы соответствовать элементам дисплея. Семь последовательных проводов соединены параллельно с источником постоянного тока. Для того, чтобы подать питание на какой-либо светодиод, замыкается соответствующий выключатель. Каждый последовательно включенный в цепь резистор ограничивает ток, проходящий по проводу, и, тем самым, предотвращает повреждение светодиодов от чрезмерно большого тока.

Схема внешней цепи управления для цифрового дисплея калькулятора Схема внешней цепи управления для цифрового дисплея калькулятора

Цифры появляются на цифровом дисплее в результате различных сочетаний семи выключателей. Например, если выключатели А и В замкнуты, то соответствующие элементы на дисплее загорятся и образуют цифру 1. Подобным же образом цифра 2 может быть образована с помощью выключателей A, C, D, F и G, которые будут замкнуты одновременно.

Замыкая соответствующие выключатели в определенных комбинациях, на дисплее можно получать цифры от 0 до 9. Если элементы расположить несколько иным образом, то на дисплее можно получить знак плюса, минуса, десятичные точки или же буквы алфавита.

Светодиоды могут использоваться даже для обеспечения искусственного освещения для роста растений. Основными преимуществами светодиодов в этом случае являются: низкое потребление электричества и тепловыделения, а также возможность настройки необходимого спектра излучения.

Где используются светодиоды

Изобретение первых светодиодов - полупроводниковых диодов в эпоксидной оболочке, выделяющих монохроматический свет при подключении к электротоку - относится к 1960-м годам. Однако до 1980-х низкая яркость, отсутствие светодиодов синего и белого цветов, а также высокие затраты на их производство ограничивали их массовое применение в качестве источников света. Поэтому светодиоды в основном использовали в наружных электронных табло, ими оборудовали системы регулирования дорожного движения, применяли в оптоволоконных системах передачи данных и медицинском оборудовании.

 

Появление сверх ярких, а также синих (в середине 1990-х годов) и белых диодов (в начале XXI века) и постоянное снижение их рыночной стоимости привлекли внимание многих производителей к данным источникам света. Светодиоды стали использовать в качестве индикаторов режимов работы электронных устройств, в подсветке жидкокристаллических экранов различных приборов, в том числе - мобильных телефонов и пр. Впоследствии применение светодиодов основных цветов (красного, синего и зеленого) позволило получать цвета вывесок фактически любых оттенков, а также конструировать из них дисплеи с выводом полноцветной графики и анимации.

Светодиоды, за счет их малой потребности в электроэнергии, - оптимальный выбор декоративного освещения в местах, где существуют проблемы с энергетикой.

Светодиодные модули необычайно компактны. Различные сувениры, миниатюрные стенды и компактные табло, украшенные светодиодной символикой компании, смотрятся на удивление выразительно и необычно. Доля рынка светотехнических изделий, занимаемая светодиодами, составляет ничтожную долю. В развитых странах, особенно в крупных городах и столицах, она медленно, но верно возрастает. Своеобразным символом этой нежной и неизбежной революции стало гигантское 500-метровое полотно из светодиодов, непрерывно протянувшееся над главной улицей Лас-Вегаса.

 

Где применяют светодиоды?

  • - все виды световой рекламы (вывески, щиты, световые короба и др.)
  • - замена неона
  • - дизайн помещений
  • - дизайн мебели
  • - архитектурная и ландшафтная подсветка
  • - одноцветные дисплеи с бегущей строкой
  • - магистральные информационные табло
  • - полноцветные дисплеи для больших видео экранов
  • - внутреннее и внешнее освещение в автомобилях, грузовиках и автобусах
  • - дорожные знаки и светофоры

Другие сферы применения включают подсветку жидкокристаллических дисплеев в сотовых телефонах, цифровые камеры, а также архитектурное и другие виды освещения. Сектор электронного оборудования включает применение светодиодов в качестве индикаторных ламп в промышленных и потребительских товарах.

Что такое светодиод (устройство, параметры, маркировка)

Светодиод (led) – это полупроводниковый элемент, в котором при прохождении электрического тока создается видимое глазу оптическое излучение. В настоящее время такие устройства используются практически в любом приборе: телефоны, бытовая техника, автомобили, светильники и многие другие. Led-элементы потребляют гораздо меньше энергии, что важно для энергосбережения.

Разные типы светодиодов.

История создания светодиода.

Она насчитывает всего чуть больше ста лет. Первое упоминание о свечении диода относится к 1907 году. Английский физик Генри Раунд заметил разноцветное излучение при течении электричества через соединения карбид кремния-металл. Такое явление получило название электролюминесценция.

Спустя почти двадцать лет в 1923 году российский ученый Олег Лосев проводил подобные эксперименты в Нижнем Новгороде. Физик обнаружил свечение на месте контакта карбида кремния и стальной проволоки. Лосев опубликовал результаты своих исследований, и обосновал, что электролюминесценция наблюдается именно на границе соприкосновения разнородных материалов. Теоретическую базу под открытие подвести не смогли, и дальнейшего развития оно не получило. Хотя Лосев предсказал использование электролюминесценции для создания маломощных и миниатюрных источников света. Физик даже придумал конструкцию светового реле, но дальше исследования не продолжились.

В 1961 году, еще через сорок лет, американские изобретатели Д. Р. Байард и Г. Питтман придумали технологию выпуска светодиодов из арсенида галлия. В 1962 году они получили патент, и начался промышленный выпуск. Однако, их led-элемент испускал инфракрасное излучение, то есть был не видим человеческому глазу.

Но в том же 1962 году американский физик Ник Холоньяк изобрел красный светодиод. В 1971 году его соотечественник Жак Панков придумал синий. А в 1972 Джордж Крафорд открыл желтый led.

Впрочем, до семидесятых годов XX века светоизлучающие диоды оставались очень дорогими. Фирма «Монсанто» первой в мире удалось организовать массовое производство led в качестве индикатора.

В семидесятых годах группе советских ученых под начальством Ж. Алферова удалось синтезировать неизвестные до этого полупроводниковые вещества. Их начали получать на предприятиях и в лабораториях. А на основе этих соединений запустили серийное изготовление светодиодов.

В 1983 году Citizen Electronics придумала и внедрила на своих предприятиях светодиоды плоской конструкции (SMD).

В девяностые годы японские ученые И. Акасаки, Х. Амано и С. Накамура придумали, как значительно удешевить производство синих led. Технологию успешно опробовала фирма Nichia с 1993 года. А с 1996 года они начали изготовление белых led-элементов, чей свет получается из сочетания красного, синего и зеленого. В дальнейшем на базе открытия японских ученых стали стремительно развиваться новые методы производства световой техники: лампочек, дисплеев с подсветкой и других приборов.

В 2003 Citizen Electronics придумали новейшую технологию производства СОВ (Chip-On-Board). Она заключается в монтаже полупроводникового элемента на подложку при помощи специального непроводящего клея.

Очевидно, что история светоизлучающих диодов только набирает обороты, а технологии становятся все более совершенными.

Для создания разных цветов потребовалось много времени.

Принцип работы.

Кристалл состоит из полупроводниковых материалов, которые расположены слоями. Свечение появляется после протекания электричества между границами их соприкосновения. В одном полупроводнике (n) преобладают электроны (отрицательные частицы), а в другом (p) –  ионы – дырки (положительные частицы). Полупроводниковые соединения способны пропускать электричество только  от p -слоя к n -слою, т.е. в одну сторону.

Схема появления излучения.

Под воздействием электричества электроны из n-слоя и дырки из р-слоя начинают двигаться к р-n-переходу. Происходит рекомбинация дырки и электрона – между р-n-границей протекает ток. Электроны переходят на низший энергетический уровень, с высоких орбиталей на более низкие. Освобождается энергия, которая  излучается в виде фотонов.

Описанный процесс протекает во всех полупроводниковых диодах. Но длина волны фотона не всегда находится в заметном человеческому глазу спектре. Для появления видимости необходимо движение элементарных частиц в определенном интервале: от 400 до 700 нм. Это достигается подбором определенных химических веществ. У каждого есть особая длина волны и цвет излучения.

Самые удачные материалы получаются из соединений типа AIIIBV и AIIBVI где II, III, V и VI – валентности элементов. Например, уже упоминавшийся арсенид галлия, фосфат индия или селенид цинка  и теллурид кадмия. Подобные соединения называют прямозонными. Возможно получение разнообразных  по свечению светодиодов: от ультрафиолетовых до инфракрасных.

К другой группе относятся непрямозонные полупроводники. Это карбид кремния, сам кремний, германий и другие. Диоды из них свет светят очень неярко. Впрочем, научные работы по использованию таких веществ продолжаются. Основные поиски решения ведутся в области технологий квантовых точек и фотонных кристаллов.

Кроме света при p-n-переходе освобождается еще и тепло. Для его отвода необходим теплоотвод (часто в этой роли выступает корпус изделия) или радиатор.

Виды и характеристики светодиодов.

Светоизлучающие диоды различают по конструкции корпуса:

  1. DIP – маломощные индикаторные цилиндрические элементы. Востребованы для подсветок экранов, индикации, световых гирлянд.
  2. «Пиранья» – четырехконтактный DIP. Они крепче держатся на своем месте и меньше греются. Востребованы в автомобильной промышленности для подсветок.
  3. SMD – внешне выглядит, как параллелепипед. За счет своей надежности и универсальности востребованы во многих отраслях светотехнической промышленности.
  4. PCB Star светодиоды. Разновидность SMD.
  5. СОВ – плоский SMD. Новейший тип.

Независимо от исполнения корпуса выделяют светодиоды:

  1. Двухцветные. Они излучают одновременно два цвета. Обладают тремя контактами, один из которых общий.
  2. Полноцветные RGB (красный-зеленый-синий). Изготавливаются из трех полупроводниковых кристаллов под общей линзой, обладают четырьмя электродами. По одному выводу для каждого полупроводникового элемента и один общий вывод. В SMD у прибора будет шесть выводов.

Пропорциональное смешение цветов дает всевозможные оттенки света. Например, при включении на 100% красного и зеленого получится желтый.

  1. Адресные светодиоды − разновидность полноцветных. Отличаются от обычных RGB тем, что включаются по собственному индивидуальному коду. Востребован в лентах, где на адресном светодиоде можно задать неповторяющийся цветовой оттенок. При этом led-диод обладает собственным адресом, на который поступают команды от специального управляющего драйвера. Управление цветами происходит через микрочипы, которые встраиваются рядом с адресными светодиодами.
  2. Сверхмощные (сверхяркие) светодиоды – элементы мощностью выше 1 Вт с силой тока от 300 мА. (Мощность обычных светодиодов измеряется чаще всего в милливаттах). Такие устройства светят очень ярким светом. Используются в фонариках, фарах, прожекторах и т.п.

Также led-элементы подразделяются на:

  1. Индикаторные – маломощные.
  2. Осветительные – приборы большой мощности.
  3. Инфракрасные – излучают невидимый человеческому глазу инфракрасный спектр.

Инфракрасные диоды. Благодаря специально подобранным материалам проводников они испускают невидимые глазу инфракрасные лучи. Они безвредны для живых существ, но заметны для электронных систем регистрации. Востребованы во многих технических устройствах  и станках во всевозможных отраслях промышленности.

Индикаторные led-диоды. Выступают в роли индикаторов для техники,  подсветок дисплеев и т.п. Их делят по типу используемых полупроводников на:

  • двойные – светят зеленым и оранжевым;
  • тройные – светят желтым и оранжевым;
  • тройные – светят красным и желто-зеленым.

Независимо от вида светодиоды характеризуются некоторыми параметрами.

Цвет излучения. Обусловлен химическим составом полупроводников. Некоторые вещества и соответствующие им цвета обозначены в таблице.

Яркость. Она пропорциональна силе тока, текущей сквозь элемент. Среди led-диоды, которые светят белым светом, выделяют яркие (20-25 милликандел) и сверхяркие (свыше 20 тысяч милликандел).

Сила тока. Светодиоды весьма чувствительны к силе тока. При превышении ее значения выше номинального led может перегореть. Поэтому не рекомендуется превышать максимальный прямой ток элемента. Точные значения для конкретного светодиода приводятся в техническом описании.

Падение напряжения. Характеризует допустимую разницу между величинами входного и выходящего напряжения. У значения напряжения для светодиодов есть максимальное значение, превышение которого приведет к поломке led. Значения указываются в техническом описании.

Полярность. Поскольку ток в светодиоде течет только от p -слоя к n -слою, для предотвращения поломок стоит полярность. Обычно ее определяют по внешнему виду, маркировке или особым пометкам на корпусе. (Подробнее смотрите в статье «определение полярности»). Также узнать полярность можно из технической документации.

Угол рассеивания света. Определяется формой линзы, конструкцией кристалла и от используемых для изготовления кристалла веществ. Может меняться от 15 до 180 градусов.

Устройство светодиода.

Led-диод состоит из полупроводникового кристалла, который закреплен на подложке, корпуса с контактами и оптической системы.

Устройства индикаторных (DIP), плоских (SMD) и СОВ элементов различаются снаружи. 

Конструктивное устройство DIP.

DIР-светодиод в разрезе.

В основании прибора монтируются контакты. Кристалл (один или несколько) закреплен на катоде. К кристаллу присоединяется проволока. Она соединяет полупроводники с анодом. Это необходимо для группировки двух проводников с различными типами проводимости. Сверху led-элемент герметично покрывается линзой. Корпус устройства изготавливается в виде цилиндра из эпоксидной смолы, край которого обрезан со стороны катода. Монтаж led-элемента происходит путем пайки длинных выводов.

Конструктивное устройство SMD.

SMD-светодиод в разрезе.

Корпус изготавливается параллелепипедом. Его основа – теплоотвод от кристалла. На  нее монтируется полупроводниковый элемент. Контактный провод соединяет его с анодом. Контакты выполняются плоскими. Сверху элемент герметично накрывается линзой.

Конструктивное устройство СОВ.

COB-технология – новейшее направление в производстве.

Такие светоизлучающие диоды имеют в основании теплопроводящую подложку (обычно алюминиевую). На нее непроводящим клеем закрепляют полупроводниковые кристаллы, которые объединены по последовательно-параллельной схеме. Сверху все покрывается люминофором.

Такой тип led легко монтируется, выдает хороший световой поток и не искажает цвета. Востребованы в производстве небольших, ярких прожекторов и декоративной подсветки. В отличие от DIP и SMD способны работать при повышенных температурах. Но из-за своего устройства имеют меньший срок эксплуатации по сравнению.

Если на одной подложке смонтировано множество кристаллов, то такой led-элемент называется светодиодной матрицей.

Конструктивное устройство PCB Star.

Состоит из одного большого кристалла, который монтируется на алюминиевую подложку в форме звезды. За счет увеличенной площади кристалла повышается мощность светодиода. Упрощается его фокусировка. Поэтому РCB Star востребованы в производстве ярких источников света: от фонариков до прожекторов.

Вольт-амперная характеристика светодиода.

Она имеет нелинейный характер. Led начинает пропускать ток с определенного значения напряжения. Оно называется пороговым. Пороговый вольтаж определяется химическими соединениями полупроводников.

Вольт-амперная зависимость.

Синяя кривая описывает протекание электричества при прямом включении. Красная кривая – при обратном включении.

UMAX и UMAXОБР – предельно допустимые значения напряжений. При их превышении элемент сгорает.

UMIN – минимальное величина напряжения. Начинается свечение.

Интервал между минимальным и максимальным – рабочая зона. Именно в ней диод светоизлучается.

IMAX – предельное допустимое значение тока. При превышении светодиод перегорает.

Подключение светодиода.

Самым простым случаем подключения светодиода является подключение с резистором. Последний необходим для токоограничения, чтобы исключить перегорание led при скачках напряжения.

При подключении led-элементов по любой схеме не забывайте придерживаться полярности! Иначе полупроводниковый прибор не будет светить и перегорит.

Электрическая схема соединения светодиода (LED) и резистора (R).

При соединении нескольких светоизлучающих диодов возможны разные варианты их соединения.

Последовательное подключение.

Схема последовательного соединения.

Элементы соединяются последовательно с учетом полярности. В цепи значение тока   постоянно, а напряжение на led-элементах суммируется.

Параллельное соединение.

Схема параллельного соединения светодиодов через один резистор.

В этом случае постоянным в цепи сохраняется напряжение, а силы тока на элементах складываются. У данного типа соединения есть недостаток. На разных светодиодах может быть неодинаковое падение напряжения. Поэтому ток на каком-нибудь элементе может превысить допустимый, что приведет к поломке.

Во избежание этого следует подключать к каждой параллельной цепи свой резистор.

Схема параллельного подключения.

Параллельно-последовательное соединение.

При подключении большого количества светодиодов стоит использовать параллельно-последовательную электрическую схему. При этом в параллельных ветках напряжение одинаковое.

Электрическая схема параллельно-последовательного соединения.

Производители светодиодов

Монтаж светодиодов.

В рейтинге производителей лидируют несколько фирм с мировым именем. Именно они выпускают самые качественные изделия на рынке.

  1. Philips. Пожалуй, производитель, с самым известным именем. Под этой маркой выпускается множество изделий от лампочек, до телефонов. Фирма имеет заводы более чем в шестидесяти странах. Активно вкладывается в новейшие разработки. Покупает другие, более мелкие заводы и производства, которые изготавливают светодиоды.
  2. Cree. Американская фирма, которая начинала свой путь с производства чипов для телефонов. Специализируется на производстве led-изделий разного назначения. РРаРазработали и выпускают светодиоды из карбида кремния, которые ярко светят.
  3. Nichia. Японская компания. Одна из старейших в области изготовления светодиодной техники. Именно она разработала и внедрила выпуск синих и белых цветов led. Специализируется на производстве кристаллов. Лидер на рынке по доходам от продаж.
  4. Osram. Немецкий изготовитель. Работает более ста лет в паре с Siemens. Выпускает светоизлучающие диоды, которые соответствуют мировым стандартам качества.

Из российских производителей можно отметить «Оптоган» и «Светлана-Оптоэлектроника». Обе фирмы располагаются в Санкт-Петербурге и производят светотехнические изделия. Впрочем, кристаллы для выпуска продукции закупаются за рубежом.

Цветовая маркировка.

Маркировка led в мире не стандартизирована. Изготовитель сам решает, что он будет обозначать на корпусе.

Светодиоды российского производства маркируются цветовым кодом. Он состоит из цветных кружочков или черточек. Примеры маркировки приведены ниже на рисунке.

Цветовая маркировка российских индикаторных светодиодов.

Рассмотрим маркировку известных мировых производителей.

Philips.

В качестве примера возьмем модель Luxeon Rebel. Она маркируется LXML-ABCD-EFGH. В этой аббревиатуре зашифровано следущее:

  • LXML – серия;
  • ABC – информация о свете:  как распределяется, цветовая температура;
  • D – величина тока;
  • E – запасная буква на будущие модели;
  • FGH – яркость (в люменах).

Cree.

Фирма предлагает обозначение SSSCCC-BD-0000-NNNNN, где:

  • SSS – серия;
  • CCC – описание цвета:
  • BD – индекс цветопередачи:
  • 0000 – код производителя;
  • NNNNN – индивидуальный номер по цветовой температуре и яркости. Стоит уточнить в техническом описании.

Достоинства и недостатки светодиодов

Плюсы

  • Высокая механическая и вибрационная стойкость.
  • Небольшой разогрев.
  • Маленькие габаритные размеры, легкий
  • Долговечность.
  • Низкое энергопотребление и мощность.
  • Возможность регулирования интенсивности свечения.
  • Высокие декоративные качества: разнообразие цветов и оттенков свечения.
  • Безынерционность: включаются сразу на полную мощность.
  • Возможность работы при низких температурах.
  • Низкая цена индикаторных светодиодов.
  • Безопасность: низкие рабочие значения напряжения и тока.

Минусы

  • Высокая цена SMD.
  • Ухудшения со временем качества кристалла: чем дольше светодиод работает, тем он тусклее.
  • Повышенные требования к источнику питания.
  • Недопустимы даже небольшие превышения минимальных и максимальных значений электрических параметров.

Интересные факты.

Светодиодная лента.

Получение белого цвета. Есть три варианта. Первый – по технологии RGB. Включение всех трех цветов на 100% дает белый цвет. Во втором случае на линзу наносят три люминофора: голубой, красный и зеленый. Третий вариант заключается в нанесении красного и зеленого люминофора на оптическую систему голубого светодиода.

Работа при повышенных температурах. С ростом температуры в области p-n-перехода уменьшается яркость свечения. Причем у красных и желтых падение яркости больше, чем у синих и зеленых. Поэтому важно использовать хороший теплоотвод и не допускать эксплуатации led при повышенных температурах.

Как готовят полупроводники? В основном по технологии металлоорганической эпитаксии в атмосфере особо чистых газов. Выращиваются пленки толщиной от ангстремов до микрон. Разные слои легируются примесями, которые дадут слою высокую концентрацию электронов или дырок, то есть сформируют n или p структуру полупроводника. Зачем пленки травят, создают контакты к n и p слоям и разделяют на чипы нужных размеров.

Чем хороша СОВ-технология? Тем, что кристаллы монтируются на металлическую подложку, которая одновременно выполняет функции радиатора. Таким образом получают отличный теплоотвод непосредственно от полупроводникового кристалла. Дополнительно можно получить разную форму светодиода, разную гибкость и и.п.

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.

Достоинства и недостатки
Среди достоинств светодиодов можно отметить:
  • Малое потребление электроэнергии.
  • Долгий срок службы, измеряемый 30-100 тысячами часов.
  • Высокая светоотдача. Светодиоды дают 10-250250 люменов светового потока на ватт мощности.
  • Нет ядовитых паров ртути.
  • Широкое применение.
Недостатки:
  • Низкие характеристики у некачественных светодиодов, созданных неизвестными производителями.
  • Сравнительно высокая цена качественных светодиодов.
  • Необходимость качественных источников питания.
Похожие темы:
Устройство светодиода принцип работы светодиода преимущества

Светодиод: устройство, принцип работы, преимущества

Интерес к светодиодам растет быстрее, чем территория их применения в светотехнике. Производители и потребители, продавцы и покупатели - все как будто замерли на старте, боясь отстать от других. И только дизайнеры уже вовсю пользуются уникальными возможностями светодиодов. Давно прошло то время, когда светодиоды были интересны одним лишь ученым. Теперь светодиодная тема у всех на слуху. Говорят, за ними будущее.

Светодиоды излучают не только уникальный по своим характеристикам свет, но и завидный оптимизм по поводу своего места на рынке светотехники. Особенно активно экспансия LED разворачивается в области интерьерного оформления и светодизайна.

Юнович Э.А.

Настоящая публикация не случайно построена в форме вопросов и ответов (FAQ, frequently asked questions - часто задаваемые вопросы). Именно так заинтересованный человек подходит к новому для него объекту, с тем чтобы «пощупать» его с разных сторон и уж потом решить: нужен - не нужен. А мне задавать правильные вопросы и находить на них верные ответы помогал профессор МГУ Александр Эммануилович Юнович, один из ведущих российских специалистов по светодиодам.

1. Что такое светодиод?

Светодиод - это полупроводниковый прибор, преобразующий электрический ток непосредственно в световое излучение. Кстати, по-английски светодиод называется light emitting diode, или LED.

2. Из чего состоит светодиод?

Из полупроводникового кристалла на подложке, корпуса с контактными выводами и оптической системы. Современные светодиоды мало похожи на первые корпусные светодиоды, применявшиеся для индикации.

Конструкция светодиода Luxeon

Рис. 1. Конструкция светодиода Luxeon фирмы Lumileds lighting.

3. Как работает светодиод?

Свечение возникает при рекомбинации электронов и дырок в области p-n-перехода. Значит, прежде всего нужен p-n-переход, то есть контакт двух полупроводников с разными типами проводимости. Для этого приконтактные слои полупроводникового кристалла легируют разными примесями: по одну сторону акцепторными, по другую - донорскими.

Но не всякий p-n-переход излучает свет. Почему? Во-первых, ширина запрещенной зоны в активной области светодиода должна быть близка к энергии квантов света видимого диапазона. Во-вторых, вероятность излучения при рекомбинации электронно-дырочных пар должна быть высокой, для чего полупроводниковый кристалл должен содержать мало дефектов, из-за которых рекомбинация происходит без излучения. Эти условия в той или иной степени противоречат друг другу.

Реально, чтобы соблюсти оба условия, одного р-п-перехода в кристалле оказывается недостаточно, и приходится изготавливать многослойные полупроводниковые структуры, так называемые гетероструктуры, за изучение которых российский физик академик Жорес Алферов получил Нобелевскую премию 2000 года.

4. Означает ли это, что чем больший ток проходит через светодиод, тем он светит ярче?

Разумеется, да. Ведь чем больше ток, тем больше электронов и дырок поступают в зону рекомбинации в единицу времени. Но ток нельзя увеличивать до бесконечности. Из-за внутреннего сопротивления полупроводника и p-n-перехода диод перегреется и выйдет из строя.

5. Чем хорош светодиод?

В светодиоде, в отличие от лампы накаливания или люминесцентной лампы, электрический ток преобразуется непосредственно в световое излучение, и, теоретически, это можно сделать почти без потерь. Действительно, светодиод (при должном теплоотводе) мало нагревается, что делает его незаменимым для некоторых приложений. Далее, светодиод излучает в узкой части спектра, его цвет чист, что особенно ценят дизайнеры, а УФ- и ИК-излучения, как правило, отсутствуют. Светодиод механически прочен и исключительно надежен, его срок службы достигает 100 тысяч часов, что в 100 раз больше, чем у лампочки накаливания, и в 10 раз больше, чем у люминесцентной лампы. Наконец, светодиод - низковольтный электроприбор, а стало быть, безопасный.

6. Чем плох светодиод?

Только одним - ценой. Пока что цена одного люмена, излученного светодиодом, в 100 раз выше, чем галогенной лампой. Но специалисты утверждают, что в ближайшие 2-3 года этот показатель будет снижен в 10 раз.

7. Когда светодиоды начали применяться для освещения?

Первоначально светодиоды применялись исключительно для индикации. Чтобы сделать их пригодными для освещения, необходимо было прежде всего научиться изготавливать белые светодиоды, а также увеличить их яркость, а точнее светоотдачу, то есть отношение светового потока к потребляемой энергии.

В 60-х и 70-х годах были созданы светодиоды на основе фосфида и арсенида галлия, излучающие в желто-зеленой, желтой и красной областях спектра. Их применяли в световых индикаторах, табло, приборных панелях автомобилей и самолетов, рекламных экранах, различных системах визуализации информации. По светоотдаче светодиоды обогнали обычные лампы накаливания. По долговечности, надежности, безопасности они тоже их превзошли. Одно было плохо - не существовало светодиодов синего, сине-зеленого и белого цвета.

К концу 80-х годов в СССР выпускалось более 100 млн светодиодов в год, а мировое производство составляло несколько десятков миллиардов.

8. От чего зависит цвет светодиода?

Исключительно от ширины запрещенной зоны, в которой рекомбинируют электроны и дырки, то есть от материала полупроводника, и от легирующих примесей. Чем «синее» светодиод, тем выше энергия квантов, а значит, тем больше должна быть ширина запрещенной зоны.

9. Какие трудности пришлось преодолеть ученым, чтобы изготовить голубой светодиод?

Голубые светодиоды можно сделать на основе полупроводников с большой шириной запрещенной зоны - карбида кремния, соединений элементов II и IV группы или нитридов элементов III группы. (Помните таблицу Менделеева?)

У светодиодов на основе SiC оказался слишком мал КПД и низок квантовый выход излучения (то есть число излученных квантов на одну рекомбинировавшую пару). У светодиодов на основе твердых растворов селенида цинка ZnSe квантовый выход был выше, но они перегревались из-за большого сопротивления и служили недолго. Оставалась надежда на нитриды.

Нитрид галлия GaN плавится при 2000 °С, при этом равновесное давление паров азота составляет 40 атмосфер; ясно, что растить такие кристаллы непросто. Аналогичные соединения - нитрилы алюминия и индия - тоже полупроводники. Их соединения образуют тройные твердые растворы с шириной запрещенной зоны, зависящей от состава, который можно подобрать так, чтобы генерировать свет нужной длины волны, в том числе и синий. Но... проблему не удавалось решить до конца 80-х годов.

Первым, еще в 70-х, голубой светодиод на основе пленок нитрида галлия на сапфировой подложке удалось получить профессору Жаку Панкову (Якову Исаевичу Панчечникову) из фирмы IBM (США). Квантовый выход был достаточен для практических применений, однако руководство сказало: «Ну, это ж на сапфире - дорого и не так уж ярко, к тому же p-n-переход нехорош...» - и работы Панкова не поддержали.

Между тем группа Сапарина и Чукичева из МГУ обнаружила, что под действием электронного пучка GaN с примесью цинка становится ярким люминофором, и даже запатентовала устройство оптической памяти. Но тогда загадочное явление объяснить не удалось.

Это сделали японцы - профессор И. Акасаки и доктор X. Амано из университета Нагоя. Обработав пленку GaN с примесью магния электронным пучком со сканированием, они получили ярко люминесцирующий слой р-типа с высокой концентрацией дырок. Однако разработчики светодиодов не обратили должного внимания на их публикации.

Лишь в 1989 году доктор Ш. Накамура из фирмы Nichia Chemical, исследуя пленки нитридов элементов III группы, сумел воспользоваться результатами профессора Акасаки. Он так подобрал легирование (Мд, Zn) и термообработку, заменив ею электронное сканирование, что смог получить эффективно инжектирующие слои р-типа в GaN-гетероструктурах. Вот как был получен голубой светодиод.

Фирма Nichia запатентовала ключевые этапы технологии и к концу 1997 года выпускала уже 10-20 млн голубых и зеленых светодиодов в месяц, а в январе 1998 года приступила к выпуску белых светодиодов.

10. Что такое квантовый выход светодиода?

Квантовый выход - это число излученных квантов света на одну рекомбинировавшую электроннодырочную пару. Различают внутренний и внешний квантовый выход. Внутренний - в самом p-n-переходе, внешний - для прибора в целом (ведь свет может теряться «по дороге» - поглощаться, рассеиваться). Внутренний квантовый выход для хороших кристаллов с хорошим теплоотводом достигает почти 100%, рекорд внешнего квантового выхода для красных светодиодов составляет 55%, а для синих - 35%.

Внешний квантовый выход - одна из основных характеристик эффективности светодиода.

11. Как получить белый свет с использованием светодиодов?

Существует три способа получения белого света от светодиодов. Первый - смешивание цветов по технологии RGB. На одной матрице плотно размещаются красные, голубые и зеленые светодиоды, излучение которых смешивается при помощи оптической системы, например линзы. В результате получается белый свет. Второй способ заключается в том, что на поверхность светодиода, излучающего в ультрафиолетовом диапазоне (есть и такие), наносится три люминофора, излучающих, соответственно, голубой, зеленый и красный свет. Это похоже на то, как светит люминесцентная лампа. И, наконец, в третьем способе желто-зеленый или зеленый плюс красный люминофор наносятся на голубой светодиод, так что два или три излучения смешиваются, образуя белый или близкий к белому свет.

12. Какой из трех способов лучше?

У каждого способа есть свои достоинства и недостатки. Технология RGB в принципе позволяет не только получить белый цвет, но и перемещаться по цветовой диаграмме при изменении тока через разные светодиоды. Этим процессом можно управлять вручную или посредством программы, можно также получать различные цветовые температуры. Поэтому RGB-матрицы широко используются в светодинамических системах. Кроме того, большое количество светодиодов в матрице обеспечивает высокий суммарный световой поток и большую осевую силу света. Но световое пятно из-за аберраций оптической системы имеет неодинаковый цвет в центре и по краям, а главное, из-за неравномерного отвода тепла с краев матрицы и из ее середины светодиоды нагреваются по-разному, и, соответственно, по-разному изменяется их цвет в процессе старения - суммарные цветовая температура и цвет «плывут» за время эксплуатации. Это неприятное явление достаточно сложно и дорого скомпенсировать.

Белые светодиоды с люминофорами существенно дешевле, чем светодиодные RGB-матрицы (в пересчете на единицу светового потока), и позволяют получить хороший белый цвет. И для них в принципе не проблема попасть в точку с координатами (0.33, 0.33) на цветовой диаграмме МКО. Недостатки же таковы: во-первых, у них меньше, чем у RGB-матриц, светоотдача из-за преобразования света в слое люминофора; во-вторых, достаточно трудно точно проконтролировать равномерность нанесения люминофора в технологическом процессе и, следовательно, цветовую температуру; и наконец в-третьих - люминофор тоже стареет, причем быстрее, чем сам светодиод. Промышленность выпускает как светодиоды с люминофором, так и RGB-матрицы - у них разные области применения.

13. Каковы электрические и оптические характеристики светодиодов?

Светодиод - низковольтный прибор. Обычный светодиод, применяемый для индикации, потребляет от 2 до 4 В постоянного напряжения при токе до 50 мА. Светодиод, который используется для освещения, потребляет такое же напряжение, но ток выше - от нескольких сотен мА до 1А в проекте. В светодиодном модуле отдельные светодиоды могут быть включены последовательно, и суммарное напряжение оказывается более высоким (обычно 12 или 24 В).

При подключении светодиода необходимо соблюдать полярность, иначе прибор может выйти из строя. Напряжение пробоя указывается изготовителем и обычно составляет более 5В для одного светодиода. Яркость светодиода характеризуется световым потоком и осевой силой света, а также диаграммой направленности. Существующие светодиоды разных конструкций излучают в телесном угле от 4 до 140 градусов. Цвет, как обычно, определяется координатами цветности и цветовой температурой, а также длиной волны излучения.

Для сравнения эффективности светодиодов между собой и с другими источниками света используется светоотдача: величина светового потока на один ватт электрической мощности. Также интересной маркетинговой характеристикой оказывается цена одного люмена.

14. Как реагирует светодиод на повышение температуры?

Говоря о температуре светодиода, необходимо различать температуру на поверхности кристалла и в области p-n-перехода. От первой зависит срок службы, от второй - световой выход. В целом с повышением температуры p-n-перехода яркость светодиода падает, потому что уменьшается внутренний квантовый выход из-за влияния колебаний кристаллической решетки. Поэтому так важен хороший теплоотвод.

Падение яркости с повышением температуры не одинаково у светодиодов разных цветов. Оно больше у AlGalnP- и AeGaAs-светодиодов, то есть у красных и желтых, и меньше у InGaN, то есть у зеленых, синих и белых.

15. Почему нужно стабилизировать ток через светодиод?

Как видно из рисунка 2, в рабочих режимах ток экспоненциально зависит от напряжения и незначительные изменения напряжения приводят к большим изменениям тока. Поскольку световой выход прямо пропорционален току, то и яркость светодиода оказывается нестабильной. Поэтому ток необходимо стабилизировать. Кроме того, если ток превысит допустимый предел, то перегрев светодиода может привести к его ускоренному старению.

Зависимость силы тока от напряжения питания светодиода
Рис. 2. Зависимость силы тока от напряжения питания светодиода.

16. Для чего светодиоду требуется конвертор?

Конвертор (в англоязычной терминологии driver) для светодиода - то же, что балласт для лампы. Он стабилизирует ток, протекающий через светодиод.

17. Можно ли регулировать яркость светодиода?

Яркость светодиодов очень хорошо поддается регулированию, но не за счет снижения напряжения питания - этого-то как раз делать нельзя, - а так называемым методом широтно-импульсной модуляции (ШИМ), для чего необходим специальный управляющий блок (реально он может быть совмещен с блоком питания и конвертором, а также с контроллером управления цветом RGB-матрицы). Метод ШИМ заключается в том, что на светодиод подается не постоянный, а импульсно-модулированный ток, причем частота сигнала должна составлять сотни или тысячи герц, а ширина импульсов и пауз между ними может изменяться. Средняя яркость светодиода становится управляемой, в то же время светодиод не гаснет. Небольшое изменение цветовой температуры светодиода при диммировании несравнимо с аналогичным смещением для ламп накаливания.

18. Чем определяется срок службы светодиода?

Считается, что светодиоды исключительно долговечны. Но это не совсем так. Чем больший ток пропускается через светодиод в процессе его службы, тем выше его температура и тем быстрее наступает старение. Поэтому срок службы у мощных светодиодов короче, чем у маломощных сигнальных, и составляет в настоящее время 20-50 тысяч часов. Старение выражается в первую очередь в уменьшении яркости. Когда яркость снижается на 30% или наполовину, светодиод надо менять.

19. «Портится» ли цвет светодиода с течением времени?

Старение светодиода связано не только со снижением его яркости, но и с изменением цвета. В настоящее время нет стандартов, которые позволили бы выразить количественно изменение цвета светодиодов в процессе старения и сравнить с другими источниками.

20. Не вреден ли светодиод для человеческого глаза?

Спектр излучения светодиода близок к монохроматическому, в чем его кардинальное отличие от спектра солнца или лампы накаливания. Хорошо это или плохо - доподлинно не известно, потому что, насколько я знаю, серьезных исследований в этой области нигде не проводилось. Какие-либо данные о вредном воздействии светодиодов на человеческий глаз отсутствуют.

Есть надежда, что вскоре влияние светодиодов на зрение будет изучено досконально. Проблемой заинтересовался академик Михаил Аркадьевич Островский - крупный специалист в области цветного зрения. Тема, за решение которой он взялся, называется так: «Психофизическое восприятие светодиодного освещения системой зрения человека».

21. Когда и как сверхъяркие светодиоды появились в России?

Об этом лучше всех расскажет профессор Юнович.

Люминесценцию карбида кремния впервые наблюдал Олег Владимирович Лосев в Нижегородской радиотехнической лаборатории в 1923 г. и показал, что она возникает вблизи p-n-перехода. Первая научная статья о кристаллах нитрида галлия была опубликована профессором МГУ Г.С. Ждановым в 30-х гг. Люминесценцию в гетероструктурах на основе арсенида галлия впервые исследовали в лаборатории Ж.И. Алферова в 60-х гг. и показали, что можно создать структуры с внутренним квантовым выходом близким к 100%. Разработки структур и светодиодов на основе нитрида галлия велись в ленинградских Политехническом и Электротехническом институтах, в Калуге, в Зеленограде в 70-х гг., но они тогда не привели к созданию эффективных голубых светодиодов.

В 1995 году я прочел первые статьи Накамуры и понял, что «голубая проблема» в принципе решена. Тогда же я получил грант соросовского фонда. В декабре на эти деньги я смог поехать на конференцию в США, и там профессор Жак Панков познакомил меня с Ш. Накамурой. Я забросил наживку: мол, хочу приобщить студентов Московского университета к передовым достижениям в области голубых светодиодов и рассказать им о столь замечательном изобретении. Рыбка клюнула, и в феврале я получил от д-ра Ш. Накамуры из Японии бандеролью 10 светодиодов от фиолетового до зеленого. Все потом оказалось просто - фирма Nichia Chemical начинала выпуск светодиодов на рынок и была заинтересована в научной рекламе. В лаборатории МГУ мы их досконально исследовали, сняли все характеристики и получили новые научные результаты. Д-р Ш. Накамура дал любезное согласие на совместную публикацию наших первых статей.

Одновременно специалисты из группы Бориса Ферапонтовича Тринчука в Зеленограде продемонстрировали образцы зеленых светодиодов начальникам из ГАИ и получили положительный отзыв. Все дело в том, что эта группа сделала опытный образец светодиодного светофора, но у них не было хороших зеленых светодиодов. Светофоры с новыми сверхъяркими зелеными светодиодами намного превосходили светофоры с лампами, и московское правительство сделало заказ на 1000 светодиодных светофоров к 850-летию Москвы. Такое везение!

Как раз тогда у нас гостила киргизская скрипачка Райкан Карагулова - выпускница Московской консерватории, ученица моей жены, которая работала в Японии первым концертмейстером симфонического оркестра в Осаке. Выяснилось, что место ее работы находится неподалеку от фирмы Nichia Chemical! Б.Ф. Тринчук дал ей тысячу долларов и попросил купить на них и прислать на мой адрес 200 зеленых светодиодов. Из них были изготовлены первые светофоры из той юбилейной тысячи. Москва стала первым в мире городом с массовым применением светодиодных светофоров.

Наши ученые и инженеры в НИИ «Сапфир» пытались повторить достижение японцев и изготовить структуры на основе нитридов для голубых и зеленых светодиодов на старой эпитаксиальной установке, которую пришлось модернизировать, чтобы достичь более высоких температур и давлений. Но инициатива заглохла из-за отсутствия денег и интереса руководства.

22. Какие на сегодняшний день существуют технологии изготовления светодиодов и светодиодных модулей?

Что касается выращивания кристаллов, то основная технология - металлоорганическая эпитаксия. Для этого процесса необходимы особо чистые газы. В современных установках предусмотрены автоматизация и контроль состава газов, их раздельные потоки, точная регулировка температуры газов и подложек. Толщины выращиваемых слоев измеряются и контролируются в пределах от десятков ангстрем до нескольких микрон. Разные слои необходимо легировать примесями, донорами или акцепторами, чтобы создать p-n-переход с большой концентрацией электронов в n-области и дырок - в р-области.

Схематическое представления светодиода
Рис. 3. Схематическое представления светодиода.

За один процесс, который длится несколько часов, можно вырастить структуры на 6-12 подложках диаметром 50-75 мм. Очень важно обеспечить и проконтролировать однородность структур на поверхности подложек. Стоимость установок для эпитаксиального роста полупроводниковых нитридов, разработанных в Европе (фирмы Aixtron и Thomas Swan) и США (Emcore), достигает 1,5-2 млн долларов. Опыт разных фирм показал, что научиться получать на такой установке конкурентоспособные структуры с необходимыми параметрами можно за время от одного года до трех лет. Это технология, требующая высокой культуры.

Важным этапом технологии является планарная обработка пленок: их травление, создание контактов к n- и р-слоям, покрытие металлическими пленками для контактных выводов. Пленку, выращенную на одной подложке, можно разрезать на несколько тысяч чипов размерами от 0,24 x 0,24 до 1 x 1 мм2/.

Следующим шагом является создание светодиодов из этих чипов. Необходимо смонтировать кристалл в корпусе, сделать контактные выводы, изготовить оптические покрытия, просветляющие поверхность для вывода излучения или отражающие его. Если это белый светодиод, то нужно равномерно нанести люминофор. Надо обеспечить теплоотвод от кристалла и корпуса, сделать пластиковый купол, фокусирующий излучение в нужный телесный угол. Около половины стоимости светодиода определяется этими этапами высокой технологии.

Необходимость повышения мощности для увеличения светового потока привела к тому, что традиционная форма корпусного светодиода перестала удовлетворять производителей из-за недостаточного теплоотвода. Надо было максимально приблизить чип к теплопроводящей поверхности. В связи с этим на смену традиционной технологии и несколько более совершенной SMD-технологии (surface montage details - поверхностный монтаж деталей) приходит наиболее передовая технология СОВ (chip on board). Светодиод, изготовленный по технологии СОВ, схематически изображен на рисунке.

Светодиоды, выполненные по SMD- и СОВ-технологии, монтируются (приклеиваются) непосредственно на общую подложку, которая может исполнять роль радиатора - в этом случае она делается из металла. Так создаются светодиодные модули, которые могут иметь линейную, прямоугольную или круглую форму, быть жесткими или гибкими, короче, призваны удовлетворить любую прихоть дизайнера. Появляются и светодиодные лампы с таким же цоколем, как у низковольтных галогенных, призванные им на замену. А для мощных светильников и прожекторов изготавливаются светодиодные сборки на круглом массивном радиаторе.

Раньше в светодиодных сборках было очень много светодиодов. Сейчас, по мере увеличения мощности, светодиодов становится меньше, зато оптическая система, направляющая световой поток в нужный телесный угол, играет все большую роль.

23. Кто в мире сегодня производит светодиоды?

Чтобы делать качественные светодиоды в нужном количестве, понадобилось слияние двух отраслей - электронной и светотехнической. Все западные гиганты, производящие светодиоды для светотехники по полному циклу, начиная с производства чипов и заканчивая различными светодиодными модулями и сборками, а также светильниками на их основе, идут по этому пути. General Electric заключила союз с производителем полупроводниковых приборов Emcore, создав компанию GEL Core. Philips Lighting совместно с Agilent, дочерней компанией Hewlett-Packard, создали предприятие LumiLeds. Osram объединяет усилия с полупроводниковыми предприятиями своей материнской компании Siemens. Как заметил Макаранд Чипалкатти, менеджер по маркетингу из подразделения Opto Semiconductors компании Osram Sylvania, специализирующемуся на устройствах LED, производители светотехники сами уничтожают свой бизнес. Но если сегодня не «наступить на горло собственной песне», то завтра придут другие и сделают это куда более жестко.

Впрочем, существуют компании, специализирующиеся только на производстве чипов. Это предприятия радиоэлектронной промышленности, и они не занимаются светотехникой. К их числу относится Nichia Corporation.

24. Каковы основные производители светодиодных модулей и сборок и представленные ими модельные ряды?

Чипы и отдельные светодиоды производят компании Nichia Corporation, Сгее, LumiLeds Lighting, Opto Technology, Osram Opto Semiconductors, GEL Core. Массовое производство структур и чипов для светодиодов ведут тайваньские фирмы Lite-On, Taiwan Oasis и др.

В России светодиоды производят компании Корвет Лайт, Светлана Оптоэлектроника, Оптэл, Оптоника. По конструкции и технологическому исполнению наши светодиоды не уступают зарубежным, специалисты перечисленных компаний имеют соответствующие патенты. В Москве и Санкт-Петербурге есть возможность выращивать собственные чипы - например, эпитаксиальная установка имеется в Санкт-Петербургском физтехе, - но для промышленного производства необходимо крупное финансирование, и пока наши компании используют зарубежные чипы.

25. Где сегодня целесообразно применять светодиоды?

Светодиоды находят применение практически во всех областях светотехники, за исключением освещения производственных площадей, да и там могут использоваться в аварийном освещении. Светодиоды оказываются незаменимы в дизайнерском освещении благодаря их чистому цвету, а также в светодинамических системах. Выгодно же их применять там, где дорого обходится частое обслуживание, где необходимо жестко экономить электроэнергию, и где высоки требования по электробезопасности.

26. Возможности и применение

Изобретение первых светодиодов - полупроводниковых диодов в эпоксидной оболочке, выделяющих монохроматический свет при подключении к электротоку - относится к 1960-м годам. Однако до 1980-х низкая яркость, отсутствие светодиодов синего и белого цветов, а также высокие затраты на их производство ограничивали их массовое применение в качестве источников света. Поэтому светодиоды в основном использовали в наружных электронных табло, ими оборудовали системы регулирования дорожного движения, применяли в оптоволоконных системах передачи данных и медицинском оборудовании.

Появление сверх ярких, а также синих (в середине 1990-х годов) и белых диодов (в начале XXI века) и постоянное снижение их рыночной стоимости привлекли внимание многих производителей к данным источникам света. Светодиоды стали использовать в качестве индикаторов режимов работы электронных устройств, в подсветке жидкокристаллических экранов различных приборов, в том числе - мобильных телефонов и пр. Впоследствии применение светодиодов основных цветов (красного, синего и зеленого) позволило получать цвета вывесок фактически любых оттенков, а также конструировать из них дисплеи с выводом полноцветной графики и анимации.

Светодиоды, за счет их малой потребности в электроэнергии, - оптимальный выбор декоративного освещения в местах, где существуют проблемы с энергетикой.

Срок службы светодиодов, превышающий в 6-8 раз долговечность люминесцентных ламп, относительная простота в работе с ними на этапе сборки изделий, отсутствие необходимости в регулярном обслуживании и их антивандальные качества делают эти источники света конкурентоспособными с более традиционными газоразрядными, люминесцентными лампами и лампами накаливания. Одним из немногих и существенных аспектов, за счет которого неон удерживает свои позиции в сегменте подсветки вывесок, является пока еще более высокая стоимость светодиодов.

27. Преимущества

Экономично...

Одним из достоинств светодиодов является их долговечность. Данные источники света обладают ресурсом использования 100 000 часов, а ведь это 10-12 лет непрерывной работы. Для сравнения - максимальный срок работы неоновых и люминесцентных ламп составляет 10 тыс. часов.

За это же время в световом модуле, использующем люминесцентные лампы, их нужно будет сменить 8-10 раз, а лампы накаливания придется заново «вкручивать» от 30 до 40 раз. Использование светодиодных модулей позволяет снизить затраты на электроэнергию до 87%!

Удобно...

Светодиодный модуль - многокомпонентная структура с неприхотливой схемой подключения. В цепочке, скажем, из полусотни светодиодов один-два неисправных не только не выводят рекламный фрагмент из строя, но даже не влияют на суммарное световое излучение. Гигантский ресурс работы светодиодов практически решает проблемы, связанные с необходимостью их замены. Кроме того, светоизлучающие диоды способны надежно функционировать в самом широком диапазоне рабочих температур.

Надежно...

Есть надежность совершенно особого рода - та, от которой порою зависят человеческие жизни. Применение светодиодов в устройствах отображения информации (дорожные знаки, светофоры, информационные табло и т.д.) ведет к значительному увеличению расстояния их восприятия человеческим глазом. Неслучайно во многих крупных городах развитых стран уже нет обычных светофоров, а светодиодные схемы используются в воздушных и надводных навигационных системах.

Другим аспектом, благодаря которому светодиодам некоторыми заказчиками отдается предпочтение, являются их прочность и антивандальные качества. В отличие от стеклянных трубок данные источники света изготовлены из пластика. За счет этого их нелегко вывести из строя посредством механических повреждений. Характерное напряжение, необходимое для работы одного светодиода, - 3-4 вольта. Поэтому в условиях, когда требуется соблюдение повышенных мер безопасности или нет возможности использовать высокие напряжения, светодиоды являются оптимальным выбором. Рабочее напряжение светодиодных модулей, как упоминалось ранее, составляет 10-12 В. Очевидно, что при низком напряжении не требуется применять провода большого сечения с сильной изоляцией. Это также облегчает подключение светодиодов к электросети. У газоразрядных трубок, в отличие от светодиодов, есть порог срабатывания: чтобы источник света загорелся, в начале необходимо подать на разряд необходимое напряжение. Светодиоды же начинают излучать свет сразу при подключении к электросети, и их яркость легко регулировать наращиванием или снижением напряжения практически сразу после включения. Одним из важных преимуществ светодиодов является устойчивость к воздействию низких температур. Известно, что на морозе внутри газоразрядных источников света происходит вымерзание ртути, и это приводит к снижению яркости свечения. При отрицательных температурах также возникают проблемы с включением неона. Светодиоды лишены этих минусов.

Красиво...

Если бы LED-технологии не изобрели светотехники, их бы создали дизайнеры. Светодиоды, в отличие от ламп с неоном, имеют практически неограниченные возможности для «игры» со спектрами, цепочки которых можно выстроить таким образом, чтобы световые акценты точно работали на образ. Плавные, почти незаметные для глаза световые переходы от пика к пику в плане выразительности, конечно, уступают живописи, но оставляют далеко позади другие источники света. Изощренная цветодинамика, характерная для светодиодных модулей, способна удовлетворить требования самого требовательного дизайнера. Интересно, что игра со спектрами имеет и экологическое значение. Ведь кривые чувствительности, скажем, растений и человеческого глаза не совпадают: те спектры, которые комфортны для нашего глаза, часто дискомфортны для растений, и наоборот. Зональное использование различных светодиодных «цепочек» в тех интерьерах, где одновременно пребывают и растения, и человек, снимают эту проблему.

Представительно...

Светодиодные модули необычайно компактны. Различные сувениры, миниатюрные стенды и компактные табло, украшенные светодиодной символикой компании, смотрятся на удивление выразительно и необычно. Доля рынка светотехнических изделий, занимаемая светодиодами, составляет ничтожную долю. В развитых странах, особенно в крупных городах и столицах, она медленно, но верно возрастает. Своеобразным символом этой нежной и неизбежной революции стало гигантское 500-метровое полотно из светодиодов, непрерывно протянувшееся над главной улицей Лас-Вегаса.

типы, как работает, история, схема

В статье узнаете что такое светодиод (LED), типы, как работает, история, схема и характеристики, преимущества и недостатки.

Светодиоды повсюду вокруг нас: в наших телефонах, наших автомобилях и даже в наших домах. Каждый раз, когда горит что-то электронное, есть большая вероятность, что за ним стоит светодиод. Они бывают самых разных размеров, форм и цветов, но независимо от того, как они выглядят, у них есть одна общая черта это самая популярная вещь в электроники. Огромный выбор светодиодов на ваш вкус и цвет вы можете приобрести на Алиэкспресс, нажав на кнопку ниже:

Светодиоды («LED») — это особый тип диодов, которые преобразуют электрическую энергию в свет. На самом деле, светодиод означает «светоизлучающий диод». И можно увидеть сходство на схеме диода и светодиода:

На картинке Светодиод и диод на схемеНа картинке Светодиод и диод на схеме

Короче говоря, светодиоды похожи на крошечные лампочки. Тем не менее, для сравнения светодиоды требуют гораздо меньше энергии. Они также более энергоэффективны, поэтому они не имеют тенденцию нагреваться, как обычные лампочки. Это делает их идеальным устройством для мобильных телефонов и других электронных приборов с низким энергопотреблением. Светодиоды высокой интенсивности нашли свое применение в акцентном освещении, прожекторах и даже автомобильных фарах!

Кто изобрел светодиод

Общая светодиодная технология существует уже более сорока лет. Первый светоизлучающий диод видимого спектра был изобретен в 1962 году Ником Холоняком-младшим, который в то время работал консультантом в General Electric.

Однако некоторые факторы не позволили технологии перейти к практическому использованию освещения. Стоимость была главной проблемой, первые светодиоды стоили более 200 долларов за диод. Другим ограничивающим фактором был цвет, до 70-х годов единственным цветом, который мог создавать светодиод, был красный. Еще одним фактором был световой поток, который в течение ряда лет ограничивал практическое использование светодиодов для визуальных сигналов, таких как световые индикаторы и знаки.

Использование светодиодов в лампочках является довольно недавним и продолжающимся развитием. Первые массовые установки светодиодного освещения произошли всего за последние несколько лет, и технология постоянно совершенствуется.

Характеристики светодиода (LED)

Перед подключением светодиода нужно знать несколько характеристик светодиода (на самом деле, они очень важны). Если вы обращаетесь к какой-либо спецификации, предоставленной производителем, вы можете найти множество технических характеристик, соответствующих электрическим характеристикам, номинальным характеристикам, физическим размерам и так далее.

Я не буду утомлять вас всеми характеристиками, а только важными. Это полярность, прямое напряжение и прямой ток.

Советуем вам видео ниже «Как узнать параметры любого светодиода»

Полярность LED

Полярность является показателем симметричности электронного компонента. Светоизлучающий диод, подобный диоду PN-перехода, не является симметричным, то есть он позволяет току течь только в одном направлении.

На картинке показана полярность светодиодаНа картинке показана полярность светодиода

В светодиоде положительный вывод называется анодом, а отрицательный вывод — катодом. Для правильной работы светодиода анод светодиода должен иметь более высокий потенциал, чем катод, так как ток в светодиоде течет от анода к катоду.

Что произойдет, если мы подключим светодиод в обратном направлении? Ну, ничего не происходит, так как светодиод не будет проводить ток. Вы можете легко идентифицировать анодную клемму светодиода, поскольку они обычно имеют более длинные выводы.

На картинке показана полярность светодиодаНа картинке показана полярность светодиода

Прямой ток светодиодов

Светодиоды являются очень чувствительными устройствами, и величина тока, протекающего через светодиод, очень важна. Кроме того, яркость светодиода зависит от величины тока, потребляемого светодиодом.

Каждый светодиод имеет максимальный прямой ток, который может безопасно проходить через него, не перегорая. Да, допустимый ток, превышающий номинальный ток, фактически подожжет светодиод.

Например, наиболее часто используемые 5-миллиметровые светодиоды имеют номинальный ток от 20 мА до 30 мА, а 8-миллиметровые светодиоды имеют номинальный ток 150 мА (точные значения приведены в техническом описании).

Как нам регулировать ток, протекающий через светодиод? Для контроля тока, протекающего через светодиод, мы используем резисторы с ограничением тока.

Прямое напряжение LED

Светоизлучающие диоды также рассчитаны на максимальное напряжение, то есть количество напряжения, которое необходимо для светодиода. Например, все 5-миллиметровые светодиоды имеют номинальный ток 20 мА, но прямое напряжение меняется от одного светодиода к другому.

Максимальное напряжение на красных светодиодах составляет 2,2 В, максимальное напряжение на синих светодиодах — 3,4 В, а на максимальном напряжении белых светодиодов — 3,6 В.

Как работает светодиод

Светодиод является двухпроводным полупроводниковым источником света. Это p-n переходной диод, который излучает свет при активации. Когда к выводам приложено подходящее напряжение, электроны могут рекомбинировать с электронными отверстиями внутри устройства, выделяя энергию в виде фотонов. Этот эффект называется электролюминесценцией, а цвет света (соответствующий энергии фотона) определяется энергетической шириной запрещенной зоны полупроводника.

Материал, используемый в светодиодах, в основном алюминий-галлий-арсенид (AlGaAs). В своем первоначальном состоянии атомы этого материала прочно связаны. Без свободных электронов проводимость электричества здесь становится невозможной.

При добавлении примеси, которая известна как легирование, вводятся дополнительные атомы, что эффективно нарушает баланс материала.

Эти примеси в виде дополнительных атомов способны либо обеспечивать свободные электроны (N-тип) в системе, либо высасывать некоторые из уже существующих электронов из атомов (P-тип), создавая «дыры» на атомных орбитах. В обоих случаях материал становится более проводящим. Таким образом, под воздействием электрического тока в материале N-типа электроны могут перемещаться от анода (положительный) к катоду (отрицательный) и наоборот в материале P-типа. Из-за свойства полупроводника ток никогда не будет идти в противоположных направлениях в соответствующих случаях.

Из приведенного выше объяснения ясно, что интенсивность света, излучаемого источником (в данном случае светодиодом), будет зависеть от уровня энергии испускаемых фотонов, который, в свою очередь, будет зависеть от энергии, выделяемой электронами, прыгающими между атомными орбитами из полупроводникового материала.

Мы знаем, что для того, чтобы заставить электрон выстрелить с более низкой орбиты на более высокую, его энергетический уровень необходимо поднять. И наоборот, если электроны вынуждены падать с более высоких на более низкие орбитали, логически энергия должна высвобождаться в процессе.

В светодиодах вышеуказанные явления хорошо используются. В ответ на P-тип легирования электроны в светодиодах движутся, падая с верхних орбиталей на нижние, высвобождая энергию в виде фотонов, то есть света. Чем дальше эти орбитали отстоят друг от друга, тем больше интенсивность излучаемого света.

Различные длины волн, вовлеченные в процесс, определяют различные цвета, производимые светодиодами. Следовательно, свет, излучаемый устройством, зависит от типа используемого полупроводникового материала. 
Инфракрасный свет создается с использованием арсенида галлия (GaAs) в качестве полупроводника. Красный или желтый свет получают с использованием галлия-арсенида-фосфора (GaAsP) в качестве полупроводника. Красный или зеленый свет получается при использовании галлия-фосфора (GaP) в качестве полупроводника.

Простая светодиодная схема

На следующем рисунке показана схема простой светодиодной цепи, состоящей из 5-миллиметрового белого светодиода с источником питания 5 В.

На картинке показана полярность светодиодаНа картинке показана полярность светодиода

Поскольку это белый светодиод, номинальные значения тока и напряжения следующие: типичный прямой ток составляет 20 мА, а типовое прямое напряжение составляет 2 В.

Поэтому для регулирования тока и напряжения мы использовали резистор 180 Ом.

Типы светодиодов

  • Сквозные светодиоды: они доступны в различных формах и размерах, и наиболее распространенными являются светодиоды 3 мм, 5 мм и 8 мм. Эти светодиоды доступны в различных цветах, таких как красный, синий, желтый, зеленый, белый и т. Д.
  • Светодиоды SMD (светодиоды для поверхностного монтажа): Светодиоды для поверхностного монтажа представляют собой специальную упаковку, которую можно легко установить на печатную плату. Светодиоды SMD обычно различаются в зависимости от их физических размеров. Например, наиболее распространенными светодиодами SMD являются 3528 и 5050.
на картинке SMD светодиоды (светодиоды для поверхностного монтажа)на картинке SMD светодиоды (светодиоды для поверхностного монтажа)
  • Двухцветные светодиоды. Следующим типом светодиодов являются двухцветные светодиоды, как следует из названия, могут излучать два цвета. Двухцветные светодиоды имеют три контакта, обычно два анода и общий катод. В зависимости от конфигурации проводов, цвет будет активирован.
на картинке Двухцветные светодиодына картинке Двухцветные светодиоды
  • Светодиод RGB (красный — синий — зеленый): светодиоды RGB являются самыми любимыми и популярными среди любителей и дизайнеров. Даже компьютерные сборки очень популярны для реализации светодиодов RGB в корпусах компьютеров, материнских платах, оперативной памяти и так далее.
на картинке RGB LED (красный - синий - зеленый светодиод)на картинке RGB LED (красный - синий - зеленый светодиод)
  • Светодиоды высокой мощности: Светодиод с номинальной мощностью, превышающей или равной 1 Вт, называется светодиодом высокой мощности. Это потому, что нормальные светодиоды имеют рассеиваемую мощность в несколько милливатт. Мощные светодиоды очень яркие и часто используются в фонариках, автомобильных фарах, прожекторах и так далее.
на картинке Мощные светодиодына картинке Мощные светодиоды

Преимущества светодиодов

  1. Для управления светодиодом достаточно очень низкого напряжения и тока. В диапазоне voltage- от 1 до 2 вольт. Ток — от 5 до 20 миллиампер.
  2. Общая выходная мощность будет менее 150 милливатт.
  3. Время отклика очень меньше — всего около 10 наносекунд.
  4. Устройство не требует нагрева и разогрева.
  5. Миниатюрный по размеру и, следовательно, легкий.
  6. Имеют прочную конструкцию и поэтому могут противостоять ударам и вибрациям.
  7. Срок службы светодиода составляет более 20 лет.

Недостатки светодиодов:

  • Небольшое превышение напряжения или тока может повредить устройство.
  • Известно, что устройство имеет более широкую полосу пропускания по сравнению с лазером.
  • Температура зависит от выходной мощности излучения и длины волны.
Светодиоды: принципы работы, виды, характеристики, области применения | LIGHT-RU.RU
Светодиоды различных цветов

Сегодняшний мир невозможно себе вообразить без электрического освещения. Огромные мегаполисы и самые отдаленные уголки земного шара освещаются всевозможными электрическими источниками искусственного света. Однако, непрерывное развитие технологий приводит к тому, что мастодонт электрического освещения — «лампочка Ильича» — уверенно уступает лидирующие позиции современным высокотехнологичным и высокоэкономичным источникам электрического света, среди которых, безусловно, безоговорочно лидируют светодиоды.

Содержание статьи

Что такое светодиод и история его изобретения

Принцип действия светодиода

Светодиод — это полупроводниковый прибор, излучающий фотоны определенной частоты при пропускании через него электрического тока.

Часто термин «светодиод» заменяется англоязычной аббревиатурой LED от «led emitting diod» — светоизлучающий диод. Русскоязычный аналог данного словосочетания — СИД — используется значительно реже.

Эффект испускания фотонов достигается благодаря наличию в этих приборах электронно-дырочного перехода, рекомбинация электронов и дырок в котором сопровождается переходом электронов с одного энергетического уровня на другой, в результате чего избыток энергии высвобождается в виде свободного фотонного излучения.

Олег Лосев, советский ученый, изобретатель, один из праотцов светодиода

Впервые подобное явление было обнаружено в далеком 1907 году английским исследователем Генри Раундом. Позднее независимо от него советский ученый Олег Лосев в 1923 году также зафиксировал электролюминесценцию в точке контакта карбида кремния и стали под воздействием электрического тока и даже смог запатентовать своё изобретение под названием «Световое реле» в 1927 году. Но, как часто бывает, открытие не было должным образом оценено современниками и до победного шествия светодиодов оставались долгие десятилетия.

Технология создания инфракрасных светодиодов была освоена в США лишь в 1961 году, а первый реально применимый светодиод в видимом диапазоне спектра (красный) был создан в 1962 году Ником Холоньяком. Позднейшие исследования привели к созданию в 1971 году синего светодиода, а в 1972 году был создан первый жёлтый светодиод и были разработаны способы десятикратного увеличения яркости красных светодиодов.

Тем не менее, несмотря на очевидный прогресс в развитии светодиодной техники, светодиоды оставались чрезмерно дорогими вплоть до конца 60-х годов ХХ века. Их широкое промышленное производство и применение начинается лишь в 70-х годах ХХ века, а производство дешевых синих светодиодов началось лишь после 1990 года, когда японским ученым, получившим позднее за это Нобелевскую премию, удалось критически усовершенствовать технологию их создания.

Виды светодиодов в зависимости от химического состава полупроводников

Поскольку светодиоды являются полупроводниковыми приборами, то и материалы, используемые для их создания, являются традиционными для полупроводниковой техники. Самый распространенный, безусловно, галлий в химических соединениях с другими элементами. Широко применяются также индий, алюминий, кремний.

Использование разнообразных соединений дает возможность получать светодиоды, испускающие свет в диапазоне от инфракрасного до ультрафиолетового. А использование дополнительно нанесенных люминофоров и цветных пластиков еще больше расширяет цветовую палитру получаемого света.

Виды полупроводниковых материалов, используемых в светодиодах для получения излучения различного спектра
Цвет Длина волны, нм Падение напряжения, В Полупроводниковые материалы
Инфракрасный λ > 760 ΔU Арсенид галлия (GaAs)
Алюминия галлия арсенид
(Aluminium gallium arsenide AlGaAs)
Красный 610 1,63 Алюминия-галлия арсенид (AlGaAs)
(Aluminium gallium arsenide AlGaAs)
Галлия арсенид-фосфид (GaAsP)
Алюминия-галлия-индия фосфид (AlGaInP)
Галлия(III) фосфид (GaP)
Оранжевый 590 2,03 Галлия фосфид-арсенид (GaAsP)
Алюминия-галлия-индия фосфид (AlGaInP)
Галлия(III) фосфид (GaP)
Жёлтый 570 2,10 Галлия арсенид-фосфид (GaAsP)
Алюминия-галлия-индия фосфид (AlGaInP)
Галлия(III) фосфид (GaP)
Зеленый 500 1,9 Индия-галлия нитрид (InGaN) / Галлия(III) нитрид (GaN)
Галлия(III) фосфид (GaP)
Алюминия-галлия-индия фосфид (AlGaInP)
Алюминия-галлия фосфид (AlGaP)
Синий 450 2,48 Селенид цинка (ZnSe)
Индия-галлия нитрид (InGaN)
Карбид кремния (SiC) в качестве субстрата
Кремний (Si) в качестве субстрата — (в разработке)
Фиолетовый 400 2,76 Индия-галлия нитрид (InGaN)
Пурпурный Смесь нескольких спектров 2,48 Двойной: синий/красный диод,
синий с красным люминофором,
или белый с пурпурным пластиком
Ультрафиолетовый λ 3,1 Алмаз (235 нм)
Нитрид бора (215 нм)
Нитрид алюминия (AlN) (210 нм)
Нитрид алюминия-галлия (AlGaN)
Нитрид алюминия-галлия-индия (AlGaInN) — (менее 210 нм)
Белый Широкий спектр ΔU ≈ 3,5 Синий/фиолетовый диод с люминофором

Типоразмеры SMD светодиодов

SMD — Surface Mount Device — электронные детали или устройства, монтируемые на поверхность (как правильно, на поверхность платы). Именно такой тип монтажа стал самым распространенным в мире электроники и, соответственно, самыми распространенным являются и SMD светодиоды, т.е. светодиоды, предназначенные для поверхностного монтажа. Иногда их называют чип-светодиодами, но такое название скорее редкость.

Существует несколько самых распространенных размеров SMD светодиодов. Как правило, разные производители придерживаются общепринятых стандартов, хотя, например, световой поток светодиодов одного типоразмера у разных изготовителей может отличаться.

SMD 3528

Светодиод SMD 3528

Светодиоды для поверхностного монтажа типоразмера 3528 являются, пожалуй, одним из наиболее распространенных вариантов. Они имеют прямоугольную форму со сторонами 3,5 и 2,8 миллиметра. Толщина составляет 1,4 мм. Для облегчения монтажа на корпусе светодиода со стороны катода делается срез угла, позволяющий однозначно определить правильное расположение элемента. Светоизлучающая поверхность сформирована в виде круга и, как правило, покрыта люминофором, отличающимся в зависимости от целей использования светодиода. Существенной особенностью данных светодиодных элементов является сильная зависимость их яркости от температуры. Так, при нагревании светодиода до 80 °C его яркость может упасть на 25% и более.

SMD 5050

Светодиод SMD 5050

Светодиоды SMD 5050 обладают квадратным корпусом размером 5,0 на 5,0 мм, внутри которого расположены три кристалла по своим характеристикам идентичных тем, которые устанавливаются в SMD 3528. Фактически SMD 5050 можно считать более совершенной версией светодиодов 3528. Возможность установки трёх кристаллов в один корпус позволяет создавать более мощные и яркие светодиоды, а наличие возможности независимого управления каждым кристаллом позволяет создавать многоцветные RGB светодиоды, способные излучать практически весь видимый человеческим глазом световой спектр.

SMD 5630

Светодиод SMD 5630

Появление нового типа светодиодов с габаритами корпуса 5,6 на 3,0 мм засвидетельствовало не только внешние изменения привычных размеров SMD, но и ознаменовало внесение в их конструкцию заметных улучшений, влияющих на существенные показатели их работы. Применение новых материалов и инженерных решений позволило увеличить мощность и светоотдачу светодиодов 5630 по сравнению с их более ранними собратьями.

Несмотря на наличие в SMD 5630 четырёх выводов используется всего два из них. Второй является отрицательным катодом, а четвертый положительным анодом. При этом ключ катода расположен возле первого вывода. Размещение чипов SMD 5630 на металлической подложке является хорошим тоном, так как способствует значительному улучшению отвода тепла из рабочей зоны и, соответственно, продлению срока службы высокотехнологичного устройства.

На следующем рисунке наглядно представлена разница между направлением светового потока и углами обзора у светодиодов 3528, 5050 и 5630. Невооруженным глазом заметен рост данных показателей с увеличением форм-фактора чип-светодиода.

Сравнительная характеристика направления и угла излучения светодиодов 3528, 5050 и 5630

SMD 5730

Светодиод SMD 5730

Братья-близнецы светодиодов 5630 — светодиоды SMD 5730 — появились на рынке практически одновременно со своими младшими соплеменниками и во многом являются их аналогами. Среди конструктивных отличий необходимо отметить, что светоизлучающие диоды 5,7 на 3,0 мм имею лишь два контакта, в отличие от светодиодов 5630. При этом они несколько выше (приблизительно на 0,5 мм). Также светодиоды 5730 подразделяются по потребляемой мощности на два класса: 0,5 Вт и 1 Вт, и часто обозначаются соответственно SMD 5730-05 и SMD 5730-1. Устройства обоих этих классов являются высокоэффективными светоизлучающими устройствами с низким тепловым сопротивлением кристалл/подложка около 4 °C, что значительно повышает энергоэффективность и долговечность оборудования на их базе.

Сравнительные характеристики чип-светодиодов SMD5730-05 и SMD5730-1
Параметр SMD Максимально допустимое значение Единица измерения
SMD5730-05 SMD5730-1
Прямой ток 180 350 mA
Импульсный прямой ток 400 800 mA
Рассеиваемая мощность 0.5 1.1 W
Температура перехода 130 130 °C
Рабочая температура - 40 / + 65 - 40 / + 65 °C
Температура хранения - 55 / + 100 - 55 / + 100 °C
Температура пайки 300°C в течении 2 сек. 300°C в течении 2 сек.

Как видно из приведенных данных, светодиоды 5730-1, имея вдвое большую рассеиваемую мощность, функционируют и при больших токах. Таким образом, при выборе между светодиодами 5730-05 и 5730-1 необходимо учитывать как условия отвода тепла в готовом изделии, так и электротехнические параметры работы светоизлучающего диода.

Сравнительная характеристика светодиодов различных типоразмеров
Параметр 3528 5050 5630 5730 (0,5 Вт) 5730 (1 Вт)
Световая отдача (Лм/Вт) 5 15 40 40 100
Мощность, Вт 0,06 0,2 0,5 0,5 1,0
Температура, °C +65 +65 +80 +80 +80
Ток, А 0,02 0,06 0,15 0,15 0,30
Напряжение, В 3,3 3,3 3,3 3,4 3,4
Размеры, мм 3,5 х 2,8 5,0 х 5,0 5,6 х 3,0 5,7 х 3,0 5,7 х 3,0

SMD 3014

Светодиод SMD 3014

Сравнительно недавно появившиеся светоизлучающие диоды форм-фактора 3,0 на 1,4 мм не только имеют существенно меньшие внешние размеры, чем более ранние SMD, но и обладают значительно более высокой энергетической эффективностью.

Данные светодиоды работают при максимальном токе 30 мА, что позволяет отнести их к слаботочным устройствам. Также при их монтаже необходимо учитывать, что контакты анода и катода не только выведены на боковые поверхности, но и уходят под нижнюю часть изделия. Целью данного изменения было увеличение теплоотвода от меньшего по размеру, но более мощного потребителя.

SMD 2835

Светодиод SMD 2835

Светодиоды SMD 2835 вобрали в себя, пожалуй, самые лучшие черты других LED SMD. Несмотря на то, что размеры светодиодов 2835 совпадают с размерами светодиодов 3528 (3,5 х 2,8 мм), SMD2835 имеют иную конструкцию светоизлучающей поверхности, выполненной в форме прямоугольника, что снижает неэффективные потери энергии и повышает оптические показатели, в частности, угол обзора.

Конструктивные особенности светодиодов 2835 (использование контактов анода и катода в качестве теплоотводящей подложки) сближает эти устройства с SMD3014, в которых реализован такой же принцип. По электротехническим же характеристикам наиболее близкими к SMD2835 являются SMD5730-05

Энергетическая эффективность различных светодиодов

Развитие LED технологий направлено в первую очередь на увеличение их энергоэффективности. Средние показатели световой отдачи для различных типов чип-светодиодов составляют следующие значения:

  • SMD 3528 — 70 лм/Вт
  • SMD 5050 — 80 лм/Вт
  • SMD 5630 — 80 лм/Вт
  • SMD 5730-05 — 80 лм/Вт
  • SMD 5730-1 — 100 лм/Вт

Из приведенных данных видно, что со сменой поколений светодиодов кардинального роста световой отдачи не произошло. В тоже время, если сравнить светодиоды SMD3528 и светодиоды SMD5730-1, то можно обнаружить, что световой поток вырос почти в 22 раза, в то время как потребление энергии возросло всего в 15 раз.

Подключение светодиодов в электрическую цепь

Обозначение светодиода на электрической схеме

Штатное функционирование светоизлучающих диодов возможно только при подаче на анод положительного потенциала, а на катод — отрицательного, т.е. при прохождении через него тока только в прямом направлении.

Поскольку p-n переход имеет резко возрастающую вольт-амперную характеристику, светодиод должен подключаться к источнику тока. При подключении светодиода к источнику напряжения должна предусматриваться установка ограничивающих ток элементов (например, резисторов). Роль таких элементов может выполнять сама электрическая цепь. Модели светодиодов некоторых производителей поставляются с уже встроенными токолимитирующими элементами. В таких случаях в техническом описании к светодиодам указываются максимальные и минимальные допустимые значения подаваемого на светоизлучающий диод напряжения.

Вольт-амперная характеристика p-n перехода в светодиодах

Выход из строя светодиода может быть связан с подачей на его контакты напряжения, превышающего заявленные производителем пределы. В этом случае на светодиоде выделяется количество тепла, которое не может быть отведено теплоотводящими элементами, что приводит к перегреву SMD светодиода и его необратимому выходу из строя.

Токолимитирующая цепь для маломощных светодиодов (простейший вариант) может представлять собой элементарный резистор, включенный последовательно со светодиодом. В более сложных случаях, когда существует необходимость защиты мощных светодиодов, применяются схемы с широтно-импульсной модуляцией. Такой вариант позволяет решить сразу две задачи: во-первых, поддерживает среднее значение тока, идущего через светодиод на безопасном уровне и, во-вторых, позволяет диммировать светодиод, т.е. регулировать яркость его свечения.

Необходимо помнить, что при использовании источников питания с низким внутренним сопротивлением, не допускается подача на светодиод напряжения обратной полярности, т. к. у большинства светодиодов обратное пробивное напряжение составляет всего несколько вольт. В том случае, если светодиод используется в схеме, где есть вероятность появления обратного напряжения, светодиод следует защищать путём установки параллельно с ним обычного диода в обратной полярности.

Варианты защиты светодиодов от обратного напряжение (на примере подключения к сети переменного тока 220В)
Защита светодиодов от обратного напряжения диодом Встречно-параллельное подключение светодиода и диода Встречно-параллельное подключение двух светодиодов

Преимущества светодиодов по сравнению с другими источниками света

Являясь качественно новыми источниками электромагнитного излучения, светодиоды обладают рядом существенных преимуществ перед своими предшественниками, что способствует их широкому перманентному внедрению в различных областях народно-хозяйственного комплекса.

Среди преимуществ светодиодов необходимо выделить следующие их качества и характеристики:

  • Отсутствие в LED светодиодах чувствительных к механическим воздействиям конструктивных элементов (таких, например, как нить накаливания) определяет их повышенную вибро- и механическую стойкость к неблагоприятным воздействиям во время изготовления, транспортировки, монтажа и эксплуатации.
  • Крайне эффективное преобразование светодиодами электрической энергии в световую определяет крайне высокий коэффициент их световой отдачи. Натриевые газоразрядные и металлогалогенные лампы, бывшие многие десятилетия бесспорными лидерами на рынке по показателю световой отдачи, в настоящее время утратили свои лидирующие позиции из-за появления не менее эффективных светоизлучающих диодов. Так, если показатель световой отдачи у натриевых газоразрядных ламп составляет около 150 лм на Вт потребляемой мощности, то у самых современных светодиодов он достиг 146 лм/Вт и продолжает повышаться вместе с развитием технологий и применением новых конструкторских решений.
  • Срок эксплуатации светодиодов составляет от 30 тыс. до 100 тыс. часов, что значительно превышает показатели источников света, изготовленных по другим технологиями. Недостатком светоизлучающих диодов является то, что при длительной эксплуатации и/или неэффективном отводе тепла их кристаллы подвержены так называемой деградации, приводящей к плавному снижению яркости излучения.
  • Существенным плюсом светодиодов является независимость длительности их службы от количества итераций включения-выключения. Этим они выгодно отличаются от других светоизлучающих устройств (например, газоразрядных ламп и ламп накаливания), чувствительных к количеству циклов включения-выключения.
  • Излучению светодиодов имманентно присуща спектральная чистота, в то время как в других устройствах она достигается за счет использование различных светофильтров. Спектрографический анализ излучения красного светодиода
  • Экологическая безопасность LED обусловлена тем, что в их производстве не используются опасные элементы и соединения (ртуть, фосфор, галогениды металлов). Также в спектре их излучения отсутствует ультрафиолет, что приводит к отсутствию необходимости создания защиты от него.
  • Светодиоды безопасны в эксплуатации, т.к. обычно они питаются относительно низкими напряжениями и, благодаря высокой светоотдаче, редко нагреваются выше 50-60 °C
  • Немаловажным фактором, способствующим широкому применению светодиодов, является отсутствие инерционности их включения: максимальная яркость излучения достигается сразу после включения, в то время как у энергосберегающих люминесцентных ламп время включения колеблется от 1 секунды до 1 минуты, а выход на стопроцентную яркость происходит в течение 3-10 минут после начала работы (в зависимости от температуры окружающей среды и особенностей лампы).
  • Практически нулевая чувствительность светодиодов к низким и ультранизким температурам позволяет использовать их вне помещений в странах с суровым климатом. В тоже время, как уже отмечалось, светодиоды (как и любые другие полупроводниковые приборы) чувствительны к высоким температурам. В связи с этим при монтаже LED устройств всегда необходимо уделять особое внимание наличию достаточного уровня отвода тепла.
  • Широкое варьирование угла излучения у различных видов светодиодов (от 15° до 180°) позволяет решать различные конструкторские и технологические задачи при создании устройств с их использованием.
  • Наличие широкого спектра белых светодиодов (белый теплый, белый дневной, белый холодный) дает возможность использовать различные их типы для решения различных задач в зависимости от конкретной ситуации и необходимости получения того или иного эффекта от освещения.
  • Относительно низкая стоимость светодиодов (особенно индикаторных).
  • Высокие показатели коэффициента цветопередачи CRI.

Применение светодиодов

Благодаря широкому спектру преимуществ, светодиодные источники излучения нашли применения в разнообразных областях. Основными направлениями использования LED являются:

  • Исторически первой областью применения светодиодов было приборостроение. Именно здесь светодиоды стали массово применяться в качестве устройств индикации. Индикаторами могут быть как одиночные LED (например, индикатор включения в сеть), так и собранные в различные табло (цифровые, цифро-буквенные).
  • В последние десятилетия стали широко использоваться так называемые светодиодные кластеры. По сути это массив светодиодов, находящихся под общим цифровым (как правило) управлением. Обывателю такие кластеры знакомы в виде бегущих строк, больших экранов, размещаемых на улицах городов.
  • Также светодиоды обеспечивают подсветку жидкокристаллических экранов мобильных устройств, телевизоров и мониторов персональных компьютеров и ноутбуков.
  • Мощные и сверхмощные светодиоды нашли своё применение в фонарях уличного освещения, а также в современных светофорах. Применение LED излучателей в светофорах крупных городов не только способствует оптимизации потребления электроэнергии, но и за счет высокой светоотдачи и цветопередачи способствует снижению аварийности на дорогах.
  • Повышению безопасности на дорогах способствует и внедрение принципиально новых элементов дорожной обстановки: дорожных знаков на основе светодиодов. Такие знаки прекрасно видны в любое время суток и практически в любую погоду.
  • В последние годы светодиоды получили широкое распространение в качестве основных источников промышленного и бытового освещения. Светильники на основе LED, а также светодиодные ленты уверенно вытесняют с рынка другие виды источников света. В первую очередь это происходит за счет лавинообразного снижения цен на светодиоды в последнее время, а также благодаря появлению множества локальных производителей достаточно качественной светодиодной продукции.
  • Использование LED технологий в растениеводстве позволяет создавать узкоспециализированные источники освещения (фитолампы) с особым спектром излучения, обеспечивающим максимальную эффективность процесса фотосинтеза в листьях сельскохозяйственных растений. Применение подобных приборов особенно перспективно на территориях с северным климатом.
  • Стремительное развитие информационных технологий также обуславливает значительный спрос на светодиодную продукцию. Использование LED в качестве легкодоступных источников модулированного электромагнитного излучения широко распространено при создании систем передачи информации по оптическим волокнам.
  • Заняли свою нишу светодиоды и в сфере дизайна в виде цветных светодиодных лент, гибких шнуров дюралайт, светодиодных гирлянд. С их помощью оформляются как интерьеры жилых помещений, так и архитектурные и арт-объекты, а также концертные и выставочные залы, бары, дискотеки, ночные клубы.
  • Дешевизна и чарующая привлекательность LED привела к их повсеместному использованию в игрушках, детских играх, различных USB-устройствах.
  • Менее известно, но от того не менее широко распространено использование светодиодов в оптронах, позволяющих создавать разнообразные детекторы наличия, дискретные спидометры, детекторы начала и конца, а также устройства передачи сигнала без передачи электрического напряжения. Устройство и обозначение оптрона (оптопары)

LIGHT-ru.RU — С НАМИ СВЕТЛЕЕ!

светодиодов (LED) - learn.sparkfun.com

Избранные любимец 53

Введение

светодиодов вокруг нас: В наших телефонах, наших автомобилях и даже наших домах. Каждый раз, когда горит что-то электронное, есть большая вероятность, что за ним стоит светодиод. Они бывают самых разных размеров, форм и цветов, но независимо от того, как они выглядят, у них есть одна общая черта: они бекон электроники.Они широко предназначены для того, чтобы сделать любой проект лучше, и их часто добавляют в невероятные вещи (к радости всех).

Однако, в отличие от бекона, они не годятся, как только вы их приготовили. Это руководство поможет вам избежать любых случайных светодиодных барбекю! Хотя обо всем по порядку. Что именно - это , о котором все говорят?

Светодиоды

(то есть «ell-ee-dees») - это особый тип диодов, которые преобразуют электрическую энергию в свет. На самом деле светодиод означает «светоизлучающий диод».«(Он делает то, что говорит на банке!) И это отражается в сходстве между диодными и светодиодными схематическими обозначениями:

Короче говоря, светодиоды похожи на крошечные лампочки. Тем не менее, для сравнения светодиоды требуют гораздо меньше энергии. Они также более энергоэффективны, поэтому они не имеют тенденцию нагреваться, как обычные лампочки (если вы действительно не накачиваете в них энергию). Это делает их идеальными для мобильных устройств и других приложений с низким энергопотреблением. Не считайте их из мощной игры.Светодиоды высокой интенсивности нашли свое применение в акцентном освещении, прожекторах и даже автомобильных фарах!

Тебе уже хочется? Желание поставить светодиоды на все? Хорошо, оставайтесь с нами, и мы покажем вам, как!

Рекомендуемое чтение

Вот некоторые другие темы, которые будут обсуждаться в этом руководстве. Если вы не знакомы ни с одним из них, пожалуйста, ознакомьтесь с соответствующим руководством, прежде чем идти дальше.

Что такое цепь?

Каждый электрический проект начинается с цепи.Не знаете, что такое схема? Мы здесь, чтобы помочь.

Что такое электричество?

Мы можем видеть электричество в действии на наших компьютерах, освещая наши дома, как молнии в грозах, но что это? Это не простой вопрос, но этот урок проливает свет на него!

Диоды

Диодный праймер! Диодные свойства, типы диодов и применение диодов.

Электроэнергия

Обзор электроэнергии, скорость передачи энергии. Мы поговорим об определении мощности, ваттах, уравнениях и номинальных мощностях. 1,21 гигаватт учебного веселья!

Полярность

Введение в полярность в электронных компонентах. Узнайте, что такое полярность, в каких частях она есть и как ее идентифицировать.

Предложенный просмотр

Как использовать их

Итак, вы пришли к разумному выводу, что вам нужно поставить светодиоды на все.Мы думали, что ты придешь.

Давайте пройдемся по книге правил:

1) Вопросы полярности

В электронике полярность указывает, является ли компонент схемы симметричным или нет. Светодиоды, будучи диодами, позволяют току течь только в одном направлении. А когда нет тока, нет света. К счастью, это также означает, что вы не можете сломать светодиод, подключив его в обратном направлении. Скорее, это просто не сработает.

Положительная сторона светодиода называется «анодом» и отмечена наличием более длинного «провода» или ножки.Другая отрицательная сторона светодиода называется катодом . Ток течет от анода к катоду, а не в противоположном направлении. Обратный светодиод может препятствовать нормальной работе всей цепи, блокируя ток. Так что не волнуйтесь, если добавление светодиода нарушит вашу цепь. Попробуйте перевернуть это.

2) Текущий ток равняется Моарному свету

Яркость светодиода напрямую зависит от того, какой ток он потребляет. Это означает две вещи. Во-первых, суперяркие светодиоды разряжают батареи быстрее, потому что дополнительная яркость зависит от используемой дополнительной мощности.Во-вторых, вы можете контролировать яркость светодиода, управляя величиной тока через него. Но установка настроения не единственная причина, чтобы сократить ваш ток.

3) Есть такая вещь, как слишком большая сила

Если вы подключите светодиод непосредственно к источнику тока, он попытается рассеять столько энергии, сколько ему позволено, и, подобно трагическим героям Олде, уничтожит сам себя. Вот почему важно ограничить количество тока, протекающего через светодиод.

Для этого мы используем резисторы. Резисторы ограничивают поток электронов в цепи и защищают светодиод от попыток получить слишком большой ток. Не волнуйтесь, для определения наилучшего значения резистора требуется лишь небольшая математика. Вы можете узнать все об этом в примерах применения нашего учебника по резисторам!

Резисторы

1 апреля 2013 г.

Учебник по всем вещам резисторов. Что такое резистор, как они ведут себя параллельно / последовательно, декодируют коды цветов резистора и применяют резистор.

Не позволяй всей этой математике напугать тебя, на самом деле довольно сложно все испортить. В следующем разделе мы поговорим о том, как сделать светодиодную схему без вашего калькулятора.

Светодиоды без математики

Прежде чем мы поговорим о том, как читать таблицы, давайте подключим некоторые светодиоды. В конце концов, это учебник по светодиодам, а не учебник по чтению .

Это также не учебник по математике, поэтому мы дадим вам несколько практических правил по установке и эксплуатации светодиодов.Как вы, вероятно, собрали из информации в предыдущем разделе, вам понадобится батарея, резистор и светодиод. В качестве источника питания мы используем аккумулятор, потому что их легко найти и они не могут подавать опасное количество тока.

Базовый шаблон для светодиодной схемы довольно прост, просто подключите батарею, резистор и светодиод последовательно. Как это:


330 Ом Резистор

Хорошее значение резистора для большинства светодиодов - 330 Ом (оранжевый - оранжевый - коричневый).Вы можете использовать информацию из последнего раздела, чтобы помочь вам определить точное значение, которое вам нужно, но это светодиоды без математики ... Итак, начните с подключения резистора 330 Ом в вышеуказанную цепь и посмотрите, что произойдет.

проб и ошибок

Интересная особенность резисторов заключается в том, что они рассеивают дополнительную мощность в виде тепла, поэтому, если у вас есть резистор, который нагревается, вам, вероятно, нужно использовать меньшее сопротивление. Однако, если ваш резистор слишком мал, вы рискуете перегореть светодиод! Учитывая, что у вас есть несколько светодиодов и резисторов, с которыми можно поиграть, приведем схему, которая поможет вам спроектировать схему светодиодов методом проб и ошибок:


Throwies с батарейкой типа «монета»

Еще один способ зажечь светодиод - просто подключить его к батарейке типа «таблетка»! Поскольку ячейка монеты не может подавать достаточный ток, чтобы повредить светодиод, вы можете соединить их напрямую вместе! Просто вставьте монетоприемник CR2032 между выводами светодиода.Длинная нога светодиода должна касаться стороны батареи, отмеченной знаком «+». Теперь вы можете обернуть ленту вокруг всего этого, добавить магнит и приклеить его! Уя за подлых!

Конечно, если вы не добились хороших результатов с помощью метода проб и ошибок, вы всегда можете достать свой калькулятор и вычислить его. Не волнуйтесь, не сложно рассчитать лучшее значение резистора для вашей схемы. Но прежде чем вы сможете определить оптимальное значение резистора, вам нужно найти оптимальный ток для вашего светодиода.Для этого нам необходимо сообщить в таблицу ...

Получить подробную информацию

Не подключайте к своим цепям какие-либо странные светодиоды, это просто вредно для здоровья. Узнай их первым. И как лучше, чем читать таблицы.

В качестве примера мы рассмотрим таблицу для нашего основного красного 5-мм светодиода.

Светодиодный ток

Начиная сверху и спускаясь, первое, с чем мы сталкиваемся, это очаровательный стол:

Ах, да, но что все это значит?

Первая строка в таблице указывает, какой ток ваш светодиод сможет выдерживать непрерывно.В этом случае вы можете дать ему 20 мА или меньше, и он будет светить ярче всего при 20 мА. Второй ряд говорит нам, каким должен быть максимальный пиковый ток для коротких импульсов. Этот светодиод может выдерживать короткие удары до 30 мА, но вы не хотите выдерживать этот ток слишком долго. Эта таблица данных даже достаточно полезна, чтобы предложить стабильный диапазон тока (в третьем ряду сверху) 16-18 мА. Это хорошее целевое число, чтобы помочь вам сделать расчеты резисторов, о которых мы говорили.

Следующие несколько строк имеют меньшее значение для целей этого урока.Обратное напряжение - это свойство диода, о котором вам не нужно беспокоиться в большинстве случаев. Рассеиваемая мощность - это количество энергии в милливаттах, которое светодиод может использовать до получения повреждения. Это должно работать само собой, пока вы держите светодиод в пределах его рекомендуемых значений напряжения и тока.

Светодиодное напряжение

Посмотрим, какие еще столы они здесь поставили ... Ах!

Это полезный столик! В первом ряду сообщается, каким будет падение напряжения на светодиодах .Прямое напряжение - это термин, который очень часто встречается при работе со светодиодами. Этот номер поможет вам решить, какое напряжение необходимо подать в схему на светодиод. Если к одному источнику питания подключено более одного светодиода, эти цифры действительно важны, потому что прямое напряжение всех светодиодов, сложенных вместе, не может превышать напряжение питания. Мы поговорим об этом более подробно позже в углубленном разделе этого урока.

LED Длина волны

Во второй строке этой таблицы указывается длина волны света.Длина волны в основном очень точный способ объяснить, какого цвета свет. Это число может варьироваться, поэтому таблица дает нам минимум и максимум. В этом случае это от 620 до 625 нм, что находится на нижнем красном конце спектра (от 620 до 750 нм). Опять же, мы более подробно рассмотрим длину волны в более глубоком разделе.

Яркость светодиодов

Последний ряд (помеченный «Интенсивность света») - это показатель яркости светодиода. Единица измерения mcd, или millicandela , является стандартной единицей измерения интенсивности источника света.Этот светодиод имеет максимальную интенсивность 200 мкд, что означает, что он достаточно яркий, чтобы привлечь ваше внимание, но не совсем яркий фонарик. В 200 мкд, этот светодиод будет хорошим индикатором.

Угол обзора

Далее у нас есть этот веерообразный график, который представляет угол обзора светодиода. Различные типы светодиодов будут включать линзы и отражатели, чтобы либо сконцентрировать большую часть света в одном месте, либо распространить его как можно шире. Некоторые светодиоды похожи на прожекторы, которые излучают фотоны во всех направлениях; Другие настолько направленны, что вы не можете сказать, что они включены, если вы не смотрите прямо на них.Чтобы прочитать график, представьте, что светодиод стоит прямо под ним. «Спицы» на графике представляют угол обзора. Круглые линии представляют интенсивность в процентах от максимальной интенсивности. Этот светодиод имеет довольно узкий угол обзора. Вы можете видеть, что если смотреть на светодиод прямо вниз, это когда он самый яркий, потому что при 0 градусах синие линии пересекаются с самой внешней окружностью. Чтобы получить угол обзора 50%, угол, при котором свет становится вдвое менее интенсивным, следуйте по кругу 50% вокруг графика, пока он не пересекает синюю линию, затем следуйте по ближайшему выступу, чтобы прочитать угол.Для этого светодиода угол обзора 50% составляет около 20 градусов.

Размеры

Наконец, механический чертеж. Это изображение содержит все измерения, которые вам понадобятся, чтобы фактически установить светодиод в корпус! Обратите внимание, что, как и большинство светодиодов, у этого есть небольшой фланец внизу. Это очень удобно, когда вы хотите установить его на панели. Просто просверлите отверстие идеального размера для корпуса светодиода, и фланец предотвратит его падение!

Теперь, когда вы знаете, как расшифровать таблицу, давайте посмотрим, с какими необычными светодиодами вы можете столкнуться в дикой природе...

Типы светодиодов

Поздравляем, вы знаете основы! Может быть, вы даже взяли в руки несколько светодиодов и начали зажигать, это круто! Как бы вы хотели улучшить свою игру? Давайте поговорим о том, как это может выглядеть за пределами вашего стандартного светодиода.

Крупный план суперяркого 5-миллиметрового светодиода крупным планом

Типы светодиодов

Вот актерский состав других персонажей.

RGB светодиодов

RGB (красно-зелено-синие) светодиоды - это фактически три светодиода в одном! Но это не значит, что он может сделать только три цвета.Поскольку красный, зеленый и синий цвета являются дополнительными основными цветами, вы можете контролировать интенсивность каждого из них, чтобы создать каждый цвет радуги. Большинство светодиодов RGB имеют четыре контакта: по одному для каждого цвета и общий вывод. У одних общий контакт - это анод, а у других - катод.

RGB с общим прозрачным катодным светодиодом

светодиодов с интегральными схемами

Велоспорт

Некоторые светодиоды умнее других. Возьмите, например, светодиодный индикатор. Внутри этих светодиодов фактически имеется интегральная схема, которая позволяет светодиоду мигать без какого-либо внешнего контроллера.Вот крупным планом IC (большой, черный квадратный чип на кончике наковальни), управляющий цветами.

5-миллиметровый светодиод с медленным циклом крупным планом

Просто включите его и смотрите! Они отлично подходят для проектов, в которых требуется немного больше действий, но нет места для схем управления. Есть даже мигающие светодиоды RGB, которые переключаются между тысячами цветов!

Адресуемые светодиоды

Другие типы светодиодов могут управляться индивидуально.Существуют разные наборы микросхем (WS2812, APA102, UCS1903 и многие другие), используемые для управления отдельным светодиодом, соединенным в цепочку. Ниже приведен крупный план WS2812. Большая квадратная IC справа контролирует цвета индивидуально.

Адресная WS2812 PTH Close Up

Встроенный резистор

Что это за магия? Светодиод со встроенным резистором? Это правильно. Есть также светодиоды, которые включают в себя небольшой резистор ограничения тока. Если вы внимательно посмотрите на изображение ниже, на стойке имеется небольшая черная квадратная ИС для ограничения тока на светодиодах этих типов.

Светодиод со встроенным резистором Close Up

Итак, подключите светодиод со встроенным резистором к источнику питания и включите его! Мы протестировали эти типы светодиодов на 3,3 В, 5 В и 9 В.

Супер яркий зеленый светодиод со встроенным резистором

Примечание: Таблица данных для светодиодов со встроенным резистором указывает, что рекомендуемое прямое напряжение составляет около 5 В. При тестировании одного на 5 В, напряжение около 18 мА.Стресс-тест с батареей 9 В, напряжение около 30 мА. Это, вероятно, на более высоком конце входного напряжения. Использование более высокого напряжения может сократить срок службы светодиода. При напряжении около 16 В светодиод погас.

Пакеты для поверхностного монтажа (SMD)

SMD-светодиоды - это не столько специфический тип светодиода, сколько тип корпуса. По мере того как электроника становится все меньше и меньше, производители придумали, как разместить больше компонентов в меньшем пространстве. Компоненты SMD (устройства поверхностного монтажа) представляют собой крошечные версии своих стандартных аналогов.Вот крупный план адресуемого светодиода WS2812B, упакованного в небольшой пакет 5050.

Адресная WS2812B Close Up

SMD светодиодов бывают нескольких размеров, от довольно больших до меньших размеров, чем рисовое зерно! Поскольку они такие маленькие и с подушками вместо ног, с ними не так легко работать, но если вы ограничены в пространстве, они могут быть именно тем, что доктор прописал.

WS2812B-5050 Пакет APA102-2020 Пакет
SMD-светодиоды

также упрощают и ускоряют процесс выбора и размещения машин, благодаря чему может разместить светодиодов на печатных платах и ​​полосах.Вы, вероятно, не будете вручную паять все эти компоненты вручную.

Крупный план 8x32 адресуемой (WS2812-5050) светодиодной матрицы 5M адресуемая (APA102-5050) светодиодная лента

Высокая мощность

Мощные светодиоды

от таких производителей, как Luxeon и CREE, безумно яркие. Они ярче суперярких! Как правило, светодиод считается мощным, если он может рассеивать 1 Вт или более мощности.Это причудливые светодиоды, которые вы найдете в действительно хороших фонариках. Их можно даже построить для прожекторов и автомобильных фар. Поскольку через светодиод проходит так много энергии, для этого часто требуются радиаторы. Радиатор - это, по сути, кусок теплопроводящего металла с большой площадью поверхности, задачей которого является передача как можно большего количества отработанного тепла в окружающий воздух. Может быть некоторое тепловыделение, встроенное в конструкцию некоторых коммутационных щитов, таких как показанная ниже.

Мощный светодиод RGB Алюминий Назад для рассеивания тепла
Мощные светодиоды

могут выделять столько тепла, что могут повредить себя без надлежащего охлаждения. Не позволяйте термину «отработанное тепло» обмануть вас, хотя эти устройства по-прежнему невероятно эффективны по сравнению с обычными лампами. Для управления вы можете использовать светодиодный драйвер постоянного тока.

Специальные светодиоды

Есть даже светодиоды, которые излучают свет за пределами нормального видимого спектра. Например, вы, наверное, используете инфракрасные светодиоды каждый день. Они используются в таких вещах, как телевизионные пульты, для отправки небольших фрагментов информации в виде невидимого света! Они могут выглядеть как стандартные светодиоды, поэтому их будет трудно отличить от обычных светодиодов.

IR LED

На противоположном конце спектра вы также можете получить ультрафиолетовые светодиоды. Ультрафиолетовые светодиоды сделают некоторые материалы флуоресцентными, как черный свет! Они также используются для дезинфекции поверхностей, потому что многие бактерии чувствительны к ультрафиолетовому излучению.Они также могут быть использованы для обнаружения поддельных (счета, кредитные карты, документы и т. Д.), Солнечные ожоги, список можно продолжать. Пожалуйста, надевайте защитные очки при использовании этих светодиодов.

Ультрафиолетовый светодиод осматривает законопроект США

Больше светодиодов

С такими модными светодиодами, как они, нет никакого оправдания тому, чтобы что-то не было освещено. Однако, если ваша жажда знаний о светодиодах не была утолена, тогда читайте дальше, и мы начнем разбираться со светодиодами, цветом и яркостью света!

Delving Deeper

Итак, вы закончили со светодиодами 101 и хотите больше? О, не волнуйся, у нас есть больше.Давайте начнем с науки о том, что заставляет светодиоды тикать ... ошибаться ... мигать. Мы уже упоминали, что светодиоды - это особый вид диодов, но давайте немного углубимся в то, что это означает:

То, что мы называем светодиодом, это на самом деле светодиод и упаковка, но сам светодиод на самом деле крошечный! Это чип из полупроводникового материала, который легирован примесями, что создает границу для носителей заряда. Когда ток течет в полупроводник, он прыгает с одной стороны этой границы на другую, высвобождая энергию в процессе.В большинстве диодов эта энергия выделяется в виде тепла, а в светодиодах эта энергия рассеивается в виде света!

Длина волны света и, следовательно, цвет, зависит от типа полупроводникового материала, используемого для изготовления диода. Это связано с тем, что структура энергетических зон полупроводников различается между материалами, поэтому фотоны излучаются с разными частотами. Вот таблица распространенных светодиодных полупроводников по частоте:

Усеченная таблица полупроводниковых материалов по цвету. Полная таблица доступна в записи в Википедии для "LED"

Хотя длина волны света зависит от ширины запрещенной зоны полупроводника, интенсивность зависит от количества мощности, проталкиваемой через диод.Мы немного поговорили об интенсивности света в предыдущем разделе, но это не просто обозначение яркости чего-либо.

Единица измерения силы света называется канделой, хотя, когда вы говорите об интенсивности одного светодиода, вы обычно находитесь в диапазоне милликанделей. Что интересно в этом устройстве, так это то, что он не является мерой количества световой энергии, а фактическим показателем «яркости». Это достигается путем взятия мощности, излучаемой в определенном направлении, и взвешивания этого числа по функции яркости света.Человеческий глаз более чувствителен к некоторым длинам волн света, чем к другим, и функция яркости является стандартизированной моделью, которая учитывает эту чувствительность.

Световая интенсивность светодиодов может варьироваться от десятков до десятков тысяч милликандела. Индикатор питания на вашем телевизоре, вероятно, около 100 мкд, тогда как хороший фонарик может быть 20000 мкд. Смотреть прямо на что-то более яркое, чем несколько тысяч милликандел, может быть больно; не пытайся

Падение Напряжения

О, я также пообещал, что мы поговорим о концепции прямого падения напряжения.Помните, когда мы смотрели таблицу, и я упомянул, что прямое напряжение всех ваших светодиодов, сложенных вместе, не может превышать напряжение вашей системы? Это связано с тем, что каждый компонент в вашей схеме имеет , чтобы разделить напряжение , и величина напряжения, которую каждая деталь использует вместе, всегда будет равна доступному количеству. Это называется законом напряжения Кирхгофа. Таким образом, если у вас есть источник питания 5 В, а каждый из ваших светодиодов имеет прямое падение напряжения на 2,4 В, то вы не можете подавать питание более двух одновременно.

Законы Кирхгофа также пригодятся, когда вы хотите приблизить напряжение на данной части на основе прямого напряжения других частей. Например, в примере, который я только что дал, есть источник питания 5 В и 2 светодиода с падением прямого напряжения 2,4 В каждый. Конечно, мы хотели бы включить резистор ограничения тока, верно? Как бы вы узнали напряжение на этом резисторе? Это просто:

5 (Напряжение системы) = 2,4 (светодиод 1) + 2,4 (светодиод 2) + резистор

5 = 4.8 + Резистор

Резистор = 5 - 4,8

Резистор = 0,2

Итак, на резисторе 0,2 В! Это упрощенный пример, и это не всегда так просто, но, надеюсь, это даст вам представление о том, почему прямое падение напряжения важно. Используя число напряжений, которое вы выводите из законов Кирхгофа, вы также можете делать такие вещи, как определение тока через компонент, используя закон Ома. Короче говоря, вы хотите, чтобы напряжение вашей системы было равно ожидаемому прямому напряжению компонентов вашей комбинированной схемы.

Расчет токоограничивающих резисторов

Если вам необходимо рассчитать точное значение ограничивающего ток резистора последовательно со светодиодом, обратитесь к одному из примеров приложений в руководстве по резисторам для получения дополнительной информации.

Ресурсы и дальнейшее развитие

Вы сделали это! Вы знаете, почти все ... о светодиодах. А теперь иди и поставь светодиоды на что угодно! А теперь ... драматическая реконструкция светодиода без токоограничивающего резистора, который перегружен и сам перегорает:

Да... это не впечатляет.

Если вы хотите узнать больше о некоторых темах, связанных со светодиодами, посетите следующие учебники:

Свет

Свет - полезный инструмент для инженера-электрика. Понимание того, как свет относится к электронике, является фундаментальным навыком для многих проектов.

ИК-связь

Это руководство объясняет, как работает обычная инфракрасная (ИК) связь, а также показывает, как настроить простой ИК-передатчик и приемник с Arduino.

Как делают светодиоды

Мы познакомимся с производителем светодиодов и узнаем, как изготавливаются светодиоды PTH 5 мм для SparkFun.

Электроэнергия

Обзор электроэнергии, скорость передачи энергии. Мы поговорим об определении мощности, ваттах, уравнениях и номинальных мощностях. 1,21 гигаватт учебного веселья!

DIY Light Скульптура

В этом цифровом проекте по изготовлению 3D-печати, лазерной резки и домашней электроники вы создадите красивый дизайн для своего рабочего стола или ночного стенда.

Хотите узнать больше о светодиодах?

На странице LED вы найдете все, что вам нужно знать, чтобы начать использовать эти компоненты в своем проекте.

Возьми меня туда!

Или проверьте некоторые из этих связанных сообщений в блоге:

,

Руководство по пайке светодиодов - LEDSupply BLOG

soldering iron & station Пайка: вот что работает!
Борьба с пайкой и разрушение ваших светодиодов и печатной платы (PCB) или печатной платы с металлическим сердечником (MCPCB) легко обойтись без надлежащих инструментов, материалов и техники пайки. Чтобы избежать общих проблем со светодиодной пайкой, мы оглянулись на наш более чем 20-летний опыт работы с электроникой и изложили здесь все «что нужно и чего нельзя» для пайки на светодиоды. Мы стремимся помочь вам сэкономить время, деньги и избежать разочарований, поэтому, возможно, вы попробуете второй светодиодный проект с нами! Кроме того, в конце есть видео, которое показывает процесс в действии.

Давайте начнем с простого…

MCPCB LED Star

MCPCB LED Star

Припой - это проводящий материал, который плавится около 400 градусов по Фаренгейту и позволяет двум металлическим частям соединяться в цепи. Стандартное соединение «точка-точка» состоит из двух выводов, скажем, катод светодиода и анод второго светодиода скручены и спаяны вместе; это более эффективно, чем просто скручивание поводков. Другой распространенный тип паяного соединения встречается на печатных платах и ​​MCPCB, где на плате имеются проводящие дорожки, которые ведут к компонентам, где осуществляется паяное соединение.Большая часть пайки, с которой мы сталкиваемся, связана со светодиодами на MCPCB, которые вы видите справа, и мы показываем пример в видео ниже.

Вот важный момент, который нужно помнить ...

Припой

обычно составляет 60 процентов олова и 40 процентов свинца с сердечником из канифоли (центр припоя). Ядро канифоли стоит упомянуть, потому что оно удаляет загрязнения на контактах и ​​улучшает электрическое соединение; в основном это помогает припою прилипать к контактной площадке. Поскольку заставить припой течь и прилипать к поверхности иногда бывает трудно, знание того, что флюс находится в центре припоя, означает, что вы можете помочь избежать этой проблемы, целенаправленно расплавив центр припоя непосредственно на поверхности.Это позволяет получить поток канифоли на поверхности в первую очередь и способствует прилипанию припоя к поверхности.

Имея и поддерживая правильные инструменты для торговли

Припой 0.20mm Thick Solder

толщиной 0,20 мм

Припой: Мы предпочитаем припой с содержанием олова 60/40 в качестве свинцового состава и толщиной 0,20 мм. Эта толщина припоя идеально подходит практически для всех наших применений, и это то, что мы рекомендуем. Подробности о припое, который мы используем, здесь.

Common Soldering Iron

Паяльник обыкновенный

Утюг: Наличие качественного паяльника и наконечников разных размеров делает любую работу проще и быстрее.Многие проблемы, которые мы видим от клиентов, связаны с дешевыми утюгами и маленькими советами. Если утюг недостаточно мощный или наконечник слишком маленький, то температура поверхности никогда не становится достаточно высокой, чтобы равномерно течь припой. Мы рекомендуем по крайней мере 30-ваттный утюг, к сожалению, он может быть дорогим, и если вы не планируете делать много пайки, эти затраты могут быть трудно оправдать. Есть недорогие паяльники, которые подойдут для небольших работ, но если вам нужно много паять и вы хотите минимизировать хлопоты и увеличить срок службы, сделайте себе одолжение и купите хороший утюг.Для наших собственных проектов светодиодов и комплектов светодиодов, которые мы производим для клиентов, мы используем такой утюг.

Soldering Iron Tips

Жала для паяльников

Паяльное жало: Поскольку не все поверхности паяльной пластины имеют одинаковый размер, часто паяльники поставляются со сменными размерами жала; у некоторых есть тонкости, а у других есть более широкие подсказки стиля клина. Подбор размера наконечника к размеру поверхности может значительно облегчить нагрев паяльной пластины. Если вы не можете нанести припой на подушку, возможно, это из-за того, что железный наконечник слишком мал и не распространяет тепло по достаточно широкой области.

Еще один лакомый кусочек…

Если ваши мощные светодиоды на радиаторе (что они часто делают) имеет смысл подключить пайку перед тем, как прикрепить светодиод к радиатору. При попытке припаять к светодиоду, который уже находится на радиаторе, радиатор иногда может поглотить все тепло от утюга и сделать нагрев поверхности паяльной площадки практически невозможным.

Tinning soldering iron tip

Жало для паяльной жести

оловянный наконечник: Попытка пайки без луженого наконечника бесполезна.Для правильного лужения наконечника утюга нанесите на него припой и нанесите толстый слой. Следующий шаг - стереть излишки припоя влажной губкой и, наконец, снова нанести небольшое количество припоя на наконечник.

Cleaning the soldering surface

Очистка поверхности пайки

Чистая поверхность припоя: Очевидно, что чем более чистая поверхность, тем лучше. В идеале убедитесь, что на поверхности нет грязи, пыли, эпоксидной смолы или чего-либо еще.

Tinning a soldering pad

лужение паяльной площадки

оловянные поверхности (провода, паяльная подушка или печатная плата): В нашем видео мы показываем пример пайки проводов к светодиодной звезде Cree, но перед окончательным соединением провода сначала луженые.Подобно лужению железа, на провода наносят тонкий слой припоя; важно, чтобы припой прилип к проволоке. Помните приведенное выше предположение о том, что канифоль находится в середине припоя; использование середины припоя помогает лучше прилипать к проволоке. Кроме того, в примере на нашем видео поверхность луженой паяльной поверхности также становится луженой. Приложите железный наконечник к паяльной прокладке и начните наносить припой на контактную площадку. Припой должен равномерно течь по всей подушке, и как только он действительно удалит утюг и позволит припою укрепиться.

Окончательное соединение: На этом этапе вся тяжелая работа выполнена. С хорошо луженым наконечником и поверхностью просто прикоснитесь к двум деталям, которые припаиваются вместе с утюгом. Припой на каждой поверхности должен течь; быстро удалите утюг, и когда припой затвердеет, оба компонента должны быть спаяны вместе.

Может ли пайка быть сложной?

Ruined LED from soldering

Загубленный светодиод от пайки

Да. Не расстраивайтесь поначалу, если вы испортите один или два компонента - мы все это сделали! Помните, что утюги горячие, а светодиоды не любят слишком много тепла.Будьте осторожны с настройками температуры вашего утюга и как долго вы наносите утюг на поверхность. В большинстве случаев не требуется более нескольких секунд, чтобы припой стекал и прилипал к поверхности. Если это займет больше времени, остановитесь и дважды проверьте этот пост и посмотрите видео снова.

Помощь Добавить Советы?

Если у вас есть собственные вопросы или предложения, пожалуйста, оставьте комментарий, и мы сможем добавить их к сообщению!

Пайка светодиодов в видео!

,

Как работает светодиод 5 мм?

Светодиоды (светодиоды) повсюду вокруг нас. Они в наших домах, наших автомобилях, даже в наших телефонах. Светодиоды бывают разных форм и размеров, что дает дизайнерам возможность адаптировать их к своему продукту. Каждый раз, когда горит что-то электронное, есть большая вероятность, что за ним стоит светодиод. Их низкое энергопотребление и небольшие размеры делают их отличным выбором для множества различных продуктов, так как они могут быть легко интегрированы в дизайн, чтобы сделать его в целом лучшим устройством.

В прошлом мы обсуждали светодиоды высокой яркости, но в этом посте мы сосредоточим наше внимание на светодиодах 5 мм или сквозных светодиодах. Это типы светодиодов, которые, вероятно, будут в вашей меньшей электронике в качестве светового индикатора или чего-то подобного. 5-миллиметровые светодиоды потребляют намного меньше тока, чем светодиоды высокой яркости, 20 мА по сравнению с минимумом 350 мА для мощных светодиодов. Если вы следили за нашим оригинальным постом об освоении светодиодов, вы должны знать: больше тока = больше света.Таким образом, очевидно, что эти 5-миллиметровые светодиоды станут большим акцентом или светом для очень маленьких помещений. Именно для этого предназначены 5-миллиметровые светодиоды, они могут использоваться вместе в большом массиве для создания знака или какой-то матрицы, или они могут использоваться сами по себе для создания небольшого светового индикатора или одного из этих крошечных фонариков с цепочкой для ключей ,

5-миллиметровые светодиоды очень полезны, так как могут легко питаться от небольшого аккумулятора и работать долго. Это позволяет легко включать их во многие электронные устройства или устанавливать источники света там, где они обычно не могут идти.Название 5-миллиметрового светодиода дублируется их размерами: эпоксидный корпус в верхней части имеет диаметр около 5 мм. Эти сверхмалые источники света просты в использовании, но мы не можем упустить некоторые шаги при настройке нашей светодиодной схемы.

5мм LED Основы

Светодиод - это вариант базового диода. Диод - это электронный компонент, который проводит электричество только в одном направлении. Диоды имеют то, что называется номинальным напряжением прямого напряжения, которое определяет минимальную разность напряжений между анодом (+) и катодом (-), чтобы позволить электронам течь (аааа..сладкое электричество). Светодиод в основном такой же, как и диод, с ключевым отличием в том, что он генерирует свет при прохождении электричества.

5-мм светодиоды - это тип светодиодов, которые удерживают матрицу на опоре столба, которая заключена в эпоксидный купол для защиты. Соединения тогда сделаны через две ноги или зубцы, которые выходят из основания. Как мы уже упоминали, диод позволяет течь только в одном направлении. Это делает важным различать положительную сторону (анод) и отрицательную сторону (катод).С 5 мм светодиодами легко заметить, что ножки разной длины? Длинная нога - это Анод, а короче - Катод. Если ваши ноги обрезаны или у вас есть производитель, который делает их одинакового размера, обычно вокруг обода 5 мм корпуса со стороны катода есть плоское пятно (см. Ниже).

Убедитесь, что вы всегда подключаете положительный заряд батареи / источника питания к аноду, а отрицательный или заземление - к катоду. Это позволит убедиться, что полярность совпадает, и электричество будет течь, если у вас достаточно входного напряжения и загорится светодиод 5 мм.Если вы подключите его назад, ничего не произойдет, и цепь останется замкнутой. Чтобы убедиться, что у вас есть достаточное количество энергии для вашего светодиода, есть два ключевых показателя, на которые следует обратить внимание при рассмотрении характеристик светодиодов: прямое напряжение и прямой ток.

5мм LED Напряжение

Каждый светодиод должен указывать «прямое напряжение», которое определяет величину напряжения, необходимое для проведения электричества и производства света. Если вы попытаетесь поставить что-то меньшее, чем эта сумма, светодиод останется открытым и непроводящим.Как только падение напряжения на светодиоде достигнет прямого напряжения, ваш светодиод загорится. Если у вас есть несколько светодиодов последовательно, вы должны учитывать сумму их номинальных напряжений.

Давайте посмотрим на один из наших стандартных синих 5-миллиметровых светодиодов. Теперь мы можем легко увидеть в спецификациях на странице продукта, что светодиод имеет прямое напряжение около 3,4 В. Итак, мы берем этот светодиод и пытаемся подключить его к батарее АА. Будет ли светодиод что-нибудь делать? Аккумуляторы АА имеют только номинальное напряжение 1.5В поэтому нет, нам не хватает напряжения для проведения электричества. Однако, если мы добавим еще одну батарею AA последовательно, наше напряжение будет на уровне 3 В, и мы сможем запустить 5-миллиметровый светодиод. «Но вы сказали, что для светодиода нужно 3,4 В!» Да, я знаю, но когда вы говорите в таких десятичных разрядах, вам будет хорошо.

5мм светодиодный ток

Теперь некоторые люди думают, что им нужно только позаботиться о напряжении светодиодов, и они будут в порядке. Это упускает из виду очень важную часть светодиодов, тока. Светодиоды будут потреблять в цепи столько тока, сколько могут, в свою очередь вызывая повышение температуры светодиода, пока он не сгорит.Поэтому, чтобы справиться с меньшим количеством неисправных светодиодов, давайте обратим внимание на их номинальные значения.

Приведенный выше пример, когда ваше входное напряжение и прямое напряжение очень близки, является одним из примеров, когда вам не нужно будет сильно беспокоиться о токе. Как показывает практика на нашем сайте, когда ваше входное напряжение составляет 3 В, вы можете питать любой из 5-миллиметровых светодиодов, кроме красных и желтых, не беспокоясь о том, чтобы отслеживать ток. Это связано с тем, что в источнике питания недостаточно тока для 5 мм, чтобы он сам себя сжег.

В любом другом случае вам необходимо ограничить количество тока, протекающего через светодиод. С
мощными светодиодами это делается с помощью постоянного тока. Номинальный ток 5-мм светодиодов намного ниже, обычно около 15-30 мА, и мы можем контролировать ток, поместив резистор последовательно со светодиодом. Именно здесь вы услышите термин «ограничивающий ток резистор», так как резистор гарантирует, что ток, протекающий через цепь, значительно ограничен. 5mm-setup-with-resistor

5-миллиметровые светодиоды обычно тестируются при 20 мА, они могут потреблять ток до 30 мА, но, на мой взгляд, я обычно стараюсь держать 5-миллиметровые светодиоды при 20 мА, что рекомендуется для всех их спецификаций.Теперь мы должны выяснить, как найти правильный размер резистора для вашей цепи, чтобы обеспечить безопасность ваших светодиодов!

Поиск резистора подходящего размера для ваших светодиодов

Резисторы

выпускаются в широком диапазоне размеров, и для определения правильного размера для вашей системы требуется математика. Не волнуйтесь, мы делаем это очень легко с этим калькулятором сопротивления, который рассчитывает размер резистора, который вам нужен. Это отличный инструмент, но всегда полезно узнать, как производятся расчеты, поэтому следуйте инструкциям.Чтобы найти резистор ограничения тока правильного размера, необходимо знать два свойства светодиода: прямой ток и прямое напряжение.

Давайте использовать тот же синий светодиод из примера выше. На странице продукта вы увидите таблицу Capture, изображенную справа. В кружке видно прямое напряжение (Vf) при заданном испытательном токе. Таким образом, вы можете видеть для этого светодиода, при постоянном токе 20 мА, светодиод упадет 3,2-3,6 В. Мы возьмем середину и должны предположить, что этот светодиод упадет 3,4 В.

Для этого примера я буду использовать 3 батарейки типа АА в качестве источника питания. Каждая батарея АА имеет напряжение около 1,5 В, поэтому в общей сложности у нас есть 4,5 В для нашего светодиода. Мы должны использовать закон Ома, чтобы найти предел резистора, но сначала мы должны найти напряжение на нем. Резистор и светодиод будут размещены последовательно, что означает, что падение напряжения на них будет суммироваться, чтобы быть равным входному напряжению. Это означает, что мы можем легко найти напряжение, которое будет падать на резисторе, так как мы уже знаем, что светодиоды равны 3.4В.

Входное напряжение = светодиод V f + Напряжение резистора

Напряжение резистора = входное напряжение - светодиод V f

Напряжение на резисторе = 4,5 В - 3,4 В

Таким образом, на резистор будет подано около 1,1 В. Теперь, когда у нас это есть, мы можем использовать закон Ома для расчета необходимого сопротивления!

Сопротивление = Напряжение / ток (в амперах)

Сопротивление = 1,1 / 0,02 (20 мА)

Сопротивление = 55 Ом

В зависимости от светодиода резистор изменится.В этом примере мы можем предположить, что необходим резистор 55 Ом, ближайший размер которого у нас равен 60,4, поэтому мы бы выбрали это. Если вы сомневаетесь в значении или если у вас есть одно из предложенных значений сопротивления, выберите немного больший размер.

И последнее, что нужно проверить с помощью светодиодов и резисторов - это мощность резистора. Все наши резисторы ¼ ватт. Требуемая мощность резистора - это разница между мощностью светодиода и общей мощностью цепи. Таким образом, в приведенном выше примере мы найдем необходимую мощность резистора.

Мощность светодиодов = 3,4 В x 0,02 А = 0,068 Вт

Общая мощность = 4,5 В x .02A = 0,09 Вт

Мощность, рассеиваемая резистором = .09 - .068 = .022 Вт

¼ Вт (0,25) резистор может легко справиться с 0,022 Вт, так что мы все настроены! Установите резистор последовательно со светодиодом (на положительной стороне соединения), и ваш свет полностью настроен.

04006-025 Не хотите пройти через поиск резистора и работу с несколькими резисторами в одной цепи? Проверьте LuxDrive's DynaOhm.Это полностью регулируемый полупроводниковый переменный резистор, оптимизированный для замены резисторов в 5-мм светодиодных системах. Это устройство будет работать последовательно, как резистор. Разница в том, что он уже рассчитан на определенный ток, поэтому все, что вам нужно беспокоиться, это напряжение. DynaOhm может потреблять от 2,6 В до 50 В постоянного тока, поэтому вводите все необходимое для своих светодиодов.

Теперь, когда мы прошли через все эти забавные разговоры о напряжении и токе, мы можем погрузиться в то, что людям действительно важно, в свет, который излучают эти крошечные лампочки.Цвет и яркость измеряются несколькими разными способами. Наш сайт всегда перечисляет и систематизирует их, но давайте узнаем, как эти диоды создают свет, который они делают.

LED Длина волны

Длина волны светодиода

в основном очень точный способ объяснить цвет света. Для светодиодов будут различия в цвете, поскольку производственный процесс интенсивен, и иногда есть немного другие длины волны. На листе спецификации светодиода 5 мм вы увидите минимальную и максимальную длину волны.Вариации всегда находятся в одном и том же спектре, просто если вы покупаете светодиоды одного цвета во многих разных партиях, вероятно, будут небольшие отклонения (даже если наши глаза их не замечают).

Эта длина волны фактически определяется типом полупроводникового материала, используемого для изготовления диода внутри этой 5-миллиметровой упаковки. Структура энергетических зон полупроводников варьируется между материалами, поэтому фотоны излучаются с разными частотами, что влияет на свет, который мы видим. Ниже приведена полная таблица наших светодиодов и вариантов длины волны.Некоторые из наиболее популярных цветов, которые мы продаем, - темно-красный 660 нм и розовый 440 нм. 5mm-Colors

Также доступны 5-миллиметровые белые светодиоды теплого и холодного белого цвета.

Светодиодная Яркость

Таким образом, длина волны зависит от полупроводникового материала, но интенсивность света зависит от тока, подаваемого на диод. Поэтому, чем выше ток привода, тем ярче будет ваш светодиод. Яркость светодиодов 5 мм обычно измеряется в милликанделах (мкд), но это гораздо больше, чем просто добавление определенного количества яркости на любой светодиод.

Интересная вещь в этом измерении света, кандела, состоит в том, что это не мера количества световой энергии, как измеряется большинство других форм света, а скорее фактическая яркость. Это число определяется путем взятия мощности, излучаемой в определенном направлении, и взвешивания этого числа по функции яркости света. Это в основном означает, что угол луча, который мы обсудим ниже, может влиять на свет, но также влияет на длину волны. Человеческий глаз более чувствителен к некоторым длинам волн, чем другие, и эта модель яркости учитывает это.Вот почему светодиоды IR 5 мм не будут иметь выхода, потому что мы не можем видеть эту длину волны. Это то же самое для ультрафиолета и даже блюза и других распространенных цветов.

Эта яркость (яркость) варьируется от светодиода к светодиоду, как вы увидите. Цвета, как правило, ниже, от десятков до сотен, в то время как белые (и некоторые цвета, которые мы видим лучше, например, зеленый) могут получать до 20 000 мкд. Мы перечисляем все 5 мм светодиоды на выходе при их испытательном токе 20 мА.

5мм Угол обзора

5мм светодиоды на нашем сайте будут помечены по их цвету и углу луча.5-миллиметровые светодиоды показывают график 5mm-LED-Viewing-Angle, подобный графику справа, который показывает угол, под которым будет проходить луч, и интенсивность под определенными углами. Чтобы прочитать график, представьте, что светодиод стоит прямо под ним. «Спицы» на графике - это углы, а радужные линии - это интенсивность в процентах от максимальной интенсивности. Посмотрите ниже, как мы опишем, как найти угол обзора и яркость под этим углом любого 5-мм светодиода.

5mm-viewing-angle-graph

рассеянный 5мм LED

Часто рекомендуется иметь какой-то диффузор или матовое покрытие, если светодиоды будут смотреть непосредственно человеческим глазом.Некоторые 5-миллиметровые светодиоды оснащены эпоксидным куполом с отделкой, которая сделает световой поток намного более мягким. У нас есть один белый 5-миллиметровый светодиод, который использует эту отделку, так что это легко для глаз. Это снизит яркость, но сделает свет лучше.

Go Explore с 5-миллиметровыми светодиодами

5-миллиметровые светодиоды очень доступны и просты в эксплуатации. Посмотрите, что вы можете с ними сделать, варианты безграничны. Теперь вы знаете, как питать свои 5-миллиметровые светодиоды, определять их цвет и яркость, а также следить за тем, чтобы свет распространялся туда, где он вам нужен.Удачи!

,

Яркая идея: как синие светодиоды изменили мир

Нобелевская премия по физике в этом году была присуждена трем японским ученым за изобретение синих светодиодов - технологии, которая бесчисленным образом затронула общество и позволила технологиям, которые американцы воспринимают как должное каждый день.

«Синие светодиоды позволили использовать светодиоды белого света, которые можно купить в магазине и поставить в своем доме», - сказал Х. Фредерик Дилла, исполнительный директор и генеральный директор Американского института физики в Колледж-Парке, штат Мэриленд.«Возможно, у вас есть [эти светодиоды] в вашем проигрывателе Blu-ray или на дисплее телевизора или экрана компьютера».

Без синих светодиодов в мире не было бы смартфонов с подсветкой, ЖК-экранов телевизоров и компьютеров, проигрывателей Blu-ray, многих видов освещения и бесчисленных других технологических чудес. [Top 10 новых экологических технологий]

«Это прекрасный пример того, что [Нобелевская] премия присуждается за очень практическое применение», - сказала Дилла в интервью Live Science.

Освещение мира

Синие светодиоды в сочетании с красными и зелеными светодиодами (которые были обнаружены ранее) позволяют производить белый свет.Этот вид освещения намного более энергоэффективен и имеет более длительный срок службы, чем обычные лампы накаливания, сказал Кристиан Ветцель, физик из Политехнического института Rensselaer в Трое, Нью-Йорк.

«Лампы накаливания зажгли 20-й век; 21-й век будет освещен светодиодными лампами», - говорится в заявлении представителей Королевской академии наук Швеции. [Лампочки: накаливания, флуоресцентные, светодиодные (инфографика)]

Светодиодное освещение приносит энергосберегающий свет во все уголки земного шара.(Фото предоставлено: NASA Earth Observatory / NOAA / DOD)

Автомобильное освещение - это еще одно приложение, где светодиоды проникают. Ветцель сказал, что раньше светодиоды использовались только для дневных ходовых огней, но сейчас многие новые автомобили оснащены светодиодными фарами для ночного использования.

И охват светодиодных ламп выходит за пределы развитых стран. По словам Ветцеля, около 1,2 миллиарда человек в мире не имеют доступа к какой-либо форме электрического освещения. Но совместите светодиод с аккумуляторной батареей и солнечным элементом, и «люди внезапно получат освещение от сети в любом месте», сказал он.Солнечный свет заряжает аккумулятор в течение дня, а светодиод - ночью.

В дополнение к генерации света, светодиоды могут включать в себя датчики, которые обнаруживают, когда люди находятся в комнате, и выключают свет, когда там никого нет - требование для любого умного дома.

Цифровые дисплеи

В электронной промышленности светодиоды обеспечивают подсветку жидкокристаллических дисплеев (ЖК-дисплеев) во многих смартфонах, ноутбуках и телевизорах. Светодиоды более энергоэффективны, чем люминесцентные лампы, которые иногда используются для подсветки, и допускают очень тонкие дисплеи.

«Мы все хотим еще больше экран телевизора», - сказал Ветцель. Но чтобы покрыть расходы на электроэнергию, большие телевизоры должны быть чрезвычайно энергоэффективными. LED-телевизоры отвечают этим требованиям, сказал он.

Blu-ray плееры, преемники DVD-плееров, используют лазеры с синим светодиодом для считывания данных с цифрового оптического диска. Когда эти системы переключились с использования инфракрасного лазера (например, используемого в проигрывателях DVD) на лазер с синим светодиодом, стало возможным хранить в 5-10 раз больше данных, сказал Ветцель.

Светодиоды

в настоящее время исследуются на предмет их способности передавать данные из Интернета через открытое пространство, аналогично Wi-Fi.По словам Ветцеля, такая система может передавать намного больше данных, чем один Wi-Fi. Такая высокая пропускная способность возможна, потому что светодиоды могут включаться и выключаться миллионы раз в секунду.

Чистый и зеленый

Использование светодиодов на этом не заканчивается. Технология начинает использоваться для очистки воды. В настоящее время очистные сооружения используют ртутные лампы для уничтожения микробов в питьевой воде, но эти лампы потребляют много электроэнергии. В противоположность этому, светодиодные светильники могут очищать воду непосредственно в смесителе, а также включать и выключать при необходимости, что приводит к огромной экономии средств, сказал Ветцель.По его словам, сейчас только несколько компаний работают над светодиодной очисткой воды, но через несколько лет она будет повсюду.

Рост светодиодного освещения произошел в то время, когда люди только начинали беспокоиться о глобальном потеплении, сказал Ветцель. Он добавил, что из-за энергоэффективности светодиодов их использование для освещения всего мира окажет «экстремальное воздействие» на общество.

За изобретение синих светодиодов премия за физику 2014 года была присуждена японским ученым Исаму Акасаки, Хироши Амано и Шуджи Накамуре вчера (октябрь.7).

Следуйте за Таней Льюис по телефону , Twitter и Google+ . Следуйте за нами @livescience , Facebook & Google+ . Оригинальная статья на Live Science.

,