Что такое светодиод кратко и понятно

Светодиоды – как работает, полярность, расчет резистора

Светодиоды – одни из самых популярных электронных компонентов, использующиеся практически в любой схеме. Словосочетание “помигать светодиодами” часто используется для обозначений первой задачи при проверке жизнеспособности схемы. В этой статье мы узнаем, как работают светодиода, сделаем краткий обзор их видов, а также разберемся с такими практическими вопросами как определение полярности и расчет резистора.

Устройство светодиода

Светодиоды — полупроводниковые приборы с электронно-дырочным переходом, создающий оптическое излучение при пропускании через него электрического тока в прямом направлении.

Излучаемый светодиодом свет лежит в узком диапазоне спектра. Иными словами, его кристалл изначально излучает конкретный цвет (если речь идёт об СД видимого диапазона) — в отличие от лампы, излучающей более широкий спектр, где нужный цвет можно получить лишь применением внешнего светофильтра. Диапазон излучения светодиода во многом зависит от химического состава использованных полупроводников.

Светодиод состоит из нескольких частей:

Эти элементы есть в любом светодиоде, вне зависимости от его модели.

Светодиод является низковольтным прибором. Для индикаторных видов напряжение питания должно составлять 2-4 В при токе до 50 мА. Диоды для освещения потребляют такое же напряжение, но их ток выше – достигает 1 Ампер. В модуле суммарное напряжение диодов оказывается равным 12 или 24 В.

Подключать светодиод нужно с соблюдением полярности, иначе он выйдет из строя.

Цвета светодиодов

Светодиоды бывают разных цветов. Получить нужный оттенок можно несколькими способами.

Первый – покрытие линзы люминофором. Таким способом можно получить практически любой цвет, но чаще всего эта технология используется для создания белых светодиодов.

RGB технология. Оттенок получается за счет применения в одном кристалле трех светодиодов красного, зеленого и синего цветов. Меняется интенсивность каждого из них, и получается нужное свечение.

Применение примесей и различных полупроводников. Подбираются материалы с нужной шириной запрещенной зоны, и из них делается кристалл светодиода.

Принцип работы светодиодов

Любой светодиод имеет p-n-переход. Свечение возникает при рекомбинации электронов и дырок в электронно-дырочном переходе. P-n переход создается при соединении двух полупроводников разного типа электропроводности. Материал n-типа легируется электронами, p-типа – дырками.

При подаче напряжения электроны и дырки в p-n-переходе начинают перемещаться и занимать места. Когда носители заряда подходят к электронно-дырочному переходу, электроны помещаются в материал p-типа. В результате перехода электронов с одного энергетического уровня на другой выделяются фотоны.

Не всякий p-n переход может излучать свет. Для пропускания света нужно соблюсти два условия:

Реализовать подобное в структуре с одним p-n-переходом не получится. По этой причине создаются многослойные структуры из нескольких полупроводников, которые называются гетероструктурами.

Для создания светодиодов используются прямозонные проводники с разрешенным прямым оптическим переходом зона-зона. Наиболее распространенные материалы группы А3В5 (арсенид галлия, фосфид индия), А2В4 (теллурид кадмия, селенид цинка).

Цвет светоизлучающего диода зависит от ширины запрещенной зоны, в которой происходит рекомбинация электронов и дырок. Чем больше ширина запрещенной зоны и выше энергия квантов, тем ближе к синему излучаемый свет. Путем изменения состава можно добиться свечения в широком оптическом диапазоне – от ультрафиолета до среднего инфракрасного излучения.

Светодиоды инфракрасного, красного и желтого цветов изготавливаются на основе фосфида галлия, зеленый, синий и фиолетовый – на основе нитридов галлия.

Виды светодиодов, классификация

По предназначению выделяют индикаторные и осветительные светодиоды. Первые используются для стилизации, декоративной подсветки – например, украшение зданий, рекламные баннеры, гирлянды. Осветительные приборы используются для создания яркого освещения в помещении.

По типу исполнения выделяют:

Светодиоды могут быть:

Светодиоды классифицируются по цветовой гамме. Для максимально точной идентификации цвета в документации прибора указывается его длина волны излучения.

Белые светодиоды классифицируются по цветовой температуре. Они бывают теплых оттенков (2700 К), нейтральных (4200 К) и холодных (6000 К).

По мощности выделяют светодиоды, потребляющие единицы мВт до десятков Вт. Напрямую от мощности зависит сила света.

Полярность светодиодов

При неправильном включении светодиод может сломаться. Поэтому важно уметь определять полярность источника света. Полярность – это способность пропускать электрический ток в одном направлении.

Полярность моно определить несколькими способами:

Выбор способа определения полярности зависит от ситуации и наличия у пользователя нужного инструмента.

Расчет сопротивления для светодиода

Диод имеет малое внутреннее сопротивление. При подключении его напрямую к блоку питания, элемент перегорит. Чтобы этого не случилось, светодиод подключается к цепи через токоограничивающий резистор. Расчет производится по закону Ома: R=(U-Uled)/I, где R – сопротивление токоограничивающего резистора, U – питание источника; Uled – паспортное значение напряжения для светодиода, I – сила тока. По полученному значению и подбирается мощность резистора.

Важно правильно рассчитать напряжение. Оно зависит от схемы подключения элементов.

Можно не производить расчет сопротивления, если использовать в цепи мощный переменный или подстроечный резистор. Токоограничивающие резисторы существуют разного класса точности. Есть изделия на 10%, 5% и 1 % – это значит, что погрешность варьируется в указанном диапазоне.

Выбирая токоограничивающий резистор, нужно обратить внимание и на его мощность. почти всегда, если при малом рассеивании тепла устройство будет перегреваться и выйдет из строя. Это приведет к разрыву электрической цепи.

Когда нужно использовать токоограничивающий резистор:

В остальных случаях лучше подключать светодиоды через стабилизатор – драйвер, что особенно это актуально в светодиодных лампах.

Онлайн – сервисы и калькуляторы для расчета резистора:

Источник

Светодиоды присутствуют везде: в домах, автомобилях, телефонах. С их помощью обеспечивается яркая подсветка экранов гаджетов, выпускаются экономичные источники освещения. Сейчас это незаменимые источники света. Рассмотрим устройство и технические характеристики основных видов светодиодов.

Что такое светодиод

Светодиод (от английского Light Emitting Diode, или LED) – это твердотельный электрический источник искусственного света, изготовленный из полупроводниковых материалов p- и n- проводимости. Используя несколько технологий – напыление через маски, травление, эпитаксиальное осаждение и пр., получают p-n переход.

В полупроводниковом материале p-типа носителями тока являются «дырки» – атомы кристалла полупроводника, у которых легированием специальными металлами создают нехватку электронов. В n-материалах носителями являются избыточные электроны в кристалле.

«Дырка» фактически неподвижна. Она имеет положительный заряд, равный заряду электрона. Электрон, «перескакивая» с внешней орбиты одного атома на внешнюю орбиту соседнего, передвигает в обратном направлении «дырку».

Принцип работы или что светится в светодиоде

Справа n-полупроводниковая часть кристалла, «обогащенная» свободными электронами, слева – p-полупроводниковая часть с положительными «частицами» – «дырками».

Энергия высвобождается в виде квантов света. Они эмитируются, т.е. излучаются из торца кристалла. Поток квантов попадает на отражатель. Его полированная поверхность отражает свет в нужном направлении. Особой конфигурацией поверхности формируют требуемую диаграмму направленности светового потока.

Напряжение для питания перехода прикладывается «+» – к аноду диода, а «-» – к катоду.

Конструкция

Сиреневым цветом изображена теплоотводящая подложка. Серыми трапециями – сечения светоотражающего рефлектора-отражателя кольцевой конфигурации из алюминия. В центре голубой – чип-кристалл светодиода с подключенными золотыми или серебряными проволочками, подпаянными к выводам анода и катода.

Виды светодиодов

Светодиоды – устройства довольно «молодые». Их окончательная классификация еще не сложилась. Поэтому многие известные производители используют собственные системы подразделения.

По одной из них светодиоды по назначению группируют так:

Индикаторные в своей группе делятся на следующие виды.

DIP-диоды

Аббревиатура получена от Dual In-line Package или «двойное размещение в линию». Обычно корпусы – цилиндры, но есть и параллелепипеды. На нижнем торце проволочные аксиальные выводы, параллельные основной оси симметрии корпуса. Вывод катода меньшей длины, чем анода.

Деление на типы – по диаметру корпуса и линзе на верхнем торце. Диаметры от 2-3 до 20 мм и более. Цвет свечения – любой, белых оттенков несколько.

Один из типов – мигающий 2-мя цветами, имеет 3 вывода.

Straw Hat

Дословный перевод – соломенная шляпа или брыль. Применяя к светодиодам – корпус похож на шляпу с округлым верхом.

Видны выводы разной длины, короткий – катод. Видны и ограничители высоты установки. Под линзой – кристалл с желтым люминофором.

Super Flux “Piranha”

Прямой перевод – сверхпоток. Piranha – перевод на русский язык – пиранья. Название светодиод получил из-за особенностей металлических выводов в виде узких полосок. Для упрощения установки в отверстия печатной платы у концов выводов при штамповке срезали углы. Так получились острые «зубы» хищной рыбы.

На выводе отштампованы «плечики» – ограничители, задающие высоту корпуса над платой. Так открыли корпус для охлаждения воздухом снизу. Кристаллы для пассивного охлаждения разместили на верхних торцах выводов.

Разместив в корпусе 2 или 3 чипа, увеличили поток света. А диод попал в группу сверхъярких.

Виден кристалл, «накрытый» линзой и зауженные выводы-формирователи высоты установки.

Аббревиатура от Surface Mounted Device, перевод с английского – устройство, установленное на поверхность. Имеют вид прямоугольных корпусов из пластика или керамики. Выводы – снизу и на боковой части корпуса в виде контактных площадок.

Чаще всего – осветительные, но при малой мощности могут быть и индикаторными. Мощности от мВт (милливатт) до Вт. Свечение – любой цвет или оттенок белого света.

Кроме твердотельных светодиодов на основе полупроводниковых металлов – кремния, германия, арсенида галия и пр., имеется группа светодиодов на пленках из органических соединений. Их называют органические или OLED-светодиоды – Organic Light Emitting Diode.

Они также, как и полупроводниковые диоды, излучают свет, но не твердотельной структурой, а тонкими пленками. Пока основное применение находят при разработке одноцветных дисплеев. Имеющиеся недостатки цветных OLED-пленок – разное по длительности время работы пленок разного цвета свечения. По минимуму это около 12-15 тыс. часов.

Такие светодиоды после совершенствования будут широко применяться в сотовых телефонах, автомобильных и судовых GPS-навигаторах, в ночных прицелах и приборах для ночной охоты и стрельбы и пр.

Филаментные

В 2012-2013 г. появились необычные светодиоды, которые назвали Filament. По сути – это COB-матрицы в виде длинных цилиндров диаметром 2-3 и длиной 15-30 мм. На стеклянный или сапфировый цилиндр наклеены 28-30 синих кристаллов с вкраплениями нескольких красных. Их соединяют в последовательные цепочки, и после проверки исправности заливают желтым люминофором.

Такая технология изготовления филаментных модулей получила название Chip-On-Glass или COG.

Готовые COG-матрицы размещают на арматуре обычных ламп накаливания, устанавливают в цоколь и помещают в стеклянную или пластмассовую колбу. Для охлаждения светодиодов колбу заполняют гелием.

Мощность ламп – от 2-3 до 10-12 Вт. Световой поток соответствует световой эффективности обычных светодиодов в 80-100 Лм/Вт.

В результате получили светодиодный ретрофит лампы накаливания. Часто лампу некорректно называют светодиодной лампой накаливания.

Термин ретрофит произошел от англ. retrofit – модернизация или модификация. Это новые источники света в корпусах с традиционными габаритами.

На рисунках выше разные по мощности и производителям филаментные светодиодные лампы. В стеклянной колбе с цоколем Е27 на арматуре для нитей накаливания закреплены филаментные COL-модули.

Вида PCB Star

Аббревиатура светодиодов этого вида образована от английского словосочетания Printed Circuit Board. Его перевод – печатная плата.

Плата диодов вида PCB Star. Производитель – американская компания CREE, Модель диода XML. Желтый прямоугольник – это COB-матрица мощного диода.

Плата изготавливается из металла, хорошо проводящего тепло, например, алюминия. Конфигурация платы – 6-ти лучевая звезда. Светодиодная COB-матрица на заводе монтируется в центре платы-звезды. Плата окрашивается в черный цвет для повышения пассивного рассеивания тепла, которое выделяет мощный работающий светоизлучающий прибор.

6 «звездочек» слева – диоды разной мощности и оттенков белого света. Две снизу – более мощные элементы с большими кругами желтого люминофора. Справа столбик из 4-х шт. – диоды для планарного монтажа на поверхность контактных площадок на печатной плате.

Габаритный чертеж мощного планарного светодиода на плате-звезде. Высота конструкции – 6,6 мм, диаметр корпуса диода с планарными выводами – 8 мм, размер Star-платы – 22 мм.

Светодиодная COB-матрица

Если на теплопроводящую подложку из искусственного кристалла сапфира или кремния приклеить диэлектрическим клеем несколько десятков полупроводниковых кристаллов синего свечения, соединить их проводниками в последовательно-параллельные группы и залить сверху желтым люминофором, получим светодиодный модуль. Это COB-матрица. Аббревиатура образована от англоязычного словосочетания Chip-On-Board. Его переводят как «кристаллы на плате».

В COB-матрицах применяют бескорпусные светодиодные кристаллы-чипы без подложек. Размещение чрезвычайно плотное. По такой технологии производят значительную часть мощных светодиодов, включающую сотни кристаллов. Хороший обдуваемый вентилятором радиатор-теплоотвод, иногда с использованием тепловых трубок, позволяет достичь мощности 150-200 Вт и более в одном корпусе. Матрица обеспечивает направленный поток с углом рассеивания 100-150 градусов по уровню 0,7 от максимума излучения.

Типовая классификация

К типам светодиодов можно отнести:

Если в трехкристальном светодиоде кристаллы одного цвета свечения – имеем сверхъяркий светодиод. При разных цветах света кристалла получаем RGB-триаду или многоцветный управляемый светоизлучающий прибор.

SMD – аббревиатура от английского словосочетания Surface Mounted Device, устройство поверхностного монтажа. Используется для автоматизации размещения и пайки электронных компонентов на печатных платах, в т.ч. и светодиодов. Применяют в лентах, линейках, модулях и обычных печатных платах.

К основным цветам относится и пара цветов YB – Yellow, желтый и Blue, синий. Есть и другие комбинации цветов, дающих после смешивания белый цвет.

Мощные светодиоды на основе COB-матриц

У крупных моделей в углах корпуса имеются отверстия для крепления. Модели небольших размеров крепятся пайкой на печатную плату.

В дополнение к обычным характеристикам светодиодов у мощных моделей добавляются несколько дополнительных параметров:

Маломощные светодиоды

По величине потребляемой мощности – это светодиоды от 0,05 до 0,5 Вт, рабочий ток – 20-60 мА (средней мощности – 0,5-3 Вт, ток 0,1-0,7 А, большой – более 3 Вт, ток 1 А и более).

Конструктивно к маломощным светодиодам относятся несколько групп LED-излучателей света:

На картинке светодиоды сверху вниз:

Характеристики светодиодов

Светодиоды описываются множеством параметров. Важнейшие из них:

Есть и другие характеристики, но они используются реже. Например, вольт-амперная характеристика, ВАХ светодиода – кривая зависимости тока через переход от приложенного к нему рабочего напряжения. Применяется при электрических расчетах режима работы светодиода.

Размеры

Размеры светодиода определяются габаритами его корпуса. Для корпусов SMD – длина, ширина, толщина. Первые две величины заложены в обозначении, например, SMD2835, где две пары цифр – это 2,8 мм – ширина и 3,5 мм – длина. Толщину корпуса нужно брать из описания или паспорта на диод.

Для цилиндрических DIP-диодов важные характеристики – диаметр корпуса и его высота с линзой. При этом нужно учесть длину проволочных выводов и рекомендации производителя по их изгибу перед монтажом.

Длина волны

Такая характеристика светодиодов, как длина волны используется очень редко. Чаще называют цвет свечения.

Длина волны свечения диода измеряется в нанометрах – нм. В паспортных данных изделия она указывается не всегда.

Обозначение и цветовая маркировка

У каждого производителя собственная маркировка светодиодов. Например, в обозначении светодиода – LED-WW-SMD5050 его буквенные и цифровые элементы имеют расшифровку:

Варианты аббревиатур оттенков белого света:

Есть и другие обозначения светодиодов и цветов, система пока окончательно не стандартизована, поэтому производители используют разные числовые значения и названия оттенков белого света.

Графическое и буквенное изображение на схеме

Анод, он же плюс светодиода на электрических схемах изображается треугольником. Катод (минус) — поперечной черточкой.

Таблица напряжения светодиодов

Чтобы светодиод обеспечивал при работе все характеристики, заданные его конструкцией и технологией изготовления, ему нужно обеспечить расчетное электропитание. Например, подать на его анод и катод напряжение, которое будет немного больше прямого напряжения p-n перехода. Избыток напряжения следует «погасить» на последовательно включенном резисторе. Резистор называется токоограничивающим. Он служит для того, чтобы не допустить превышения тока через p-n переход.

У светодиода два контактных вывода – анод и катод, катод короче анода. Если длина одинаковая, то определить их можно пальчиковой батарейкой. Если появился свет, значит, перед вами анод.

Таблица. Прямое напряжение p-n перехода светодиода цветного свечения.

Применение светодиодов

Сферы применения светодиодов постоянно расширяются. Первоначально они использовались как световые индикаторы в схемах включения или работы электронной аппаратуры. Например, включение передатчика, переход на повышенную или пониженную мощность и т.д. Могли фиксировать автоматическое включение, например, при появлении сигнала вызова или для привлечения внимания. Использовались мигающие или одноцветные светодиоды – красные, желтые, зеленые, синие.

Малогабаритные сверхъяркие DIP-светодиоды соединяли в последовательно-параллельные цепочки и питали их прямо от сети 220 В. Поместив такие последовательные группы диодов в прозрачную гибкую ПВХ-трубку и залив их прозрачным герметиком, получили «гибкий неон» – светящийся «жгут». Его можно проложить по бортику бассейна, бордюру дорожки, украсить крышу дома или дерево в саду.

Появление гибких многослойных плат и SMD-корпусов для поверхностного монтажа привело к созданию гибких светодиодных лент.

Вначале это были средства декоративной отделки интерьера помещений. Увеличение мощности SMD-диодов и плотности их размещения на плате позволило начать использование светодиодных лент вначале для вспомогательного, а потом и основного освещения. Увеличение степени пылевлагозащиты лент привело к их использованию для декоративной подсветки, а потом и основного освещения в условиях улицы.

Одновременно шла разработка светодиодных ламп для замены ламп накаливания в светильниках – бра, люстрах, настольных лампах. Появились лампы-ретрофиты – полные аналоги ламп накаливания и люминесцентных трубок по форме, размерам колб, напряжению питания. Началась постепенная замена ламп накаливания на светодиодные ретрофиты. При этом прекращалось производство ЛН – вначале 100 Вт и более, потом 75, 60 и т.д.

Разработка мощных единичных светодиодов, особенно в корпусе Emitter или PCB Star, способствовала появлению фонариков со встроенным аккумулятором. Яркость и длительность свечения после одного цикла заряда в разы превосходила прежние модели.

Светодиодные ленты типа RGB, RGBW и RGBWW дали возможность не только получить мощные потоки белого света, но и в широких пределах изменять его белый оттенок от желтоватого теплого до синеватого и голубого холодного.

Управляемость новых источников света позволяет широко использовать их в световой рекламе – «бегущих строках», световых табло, информационных экранах и т.п. Используют эти яркие цветные и белые источники света в фасадной рекламе и на крышах – плоские и объемные буквы и рисунки, фирменные названия, изображения товарных знаков и многое другое.

И все эти конструкции работают много дольше аналогов на обычных лампах, почти не требуя обслуживания и потребляя при этом в разы меньше электроэнергии. Технические характеристики светодиодов и светотехнической аппаратуры постоянно растут. Стоимость светодиодов уменьшается, а применение расширяется.

Источник