Устройство светодиода, принцип работы светодиода, преимущества

Вступление

Теория и работа светодиодного LED освещения базируется на физических принципах p–n перехода и устройстве светового диода. Устройство светодиода имеет важное значение в понимании организации светодиодного освещения.

Мал да удал!

Световой диод (светодиод, LED) — это прибор в конструкции которого есть полупроводники. Светодиод преобразует электроток ток в свет, без промежуточных процессов нагревания, как в лампе накаливания.

Конструкция

На фото вы видите корпусной светодиод, используемый для индикации. Он совсем не похож на LED освещения.

Современный световой диод освещения это кристалл или кристаллы со свойствами полу–проводника, расположенный на подложке, накрытый оптической системой типа линза. Для подключения у светодиода есть «ножки» — контактные выводы.

Устройство светодиода с линзой достаточно современно, но это не значит, что светодиоды без линз канули в небытие. Один из таких примеров на следующем фото.

Работа светодиода освещения

Давайте посмотрим, как функционирует светодиод. Очень подробно об этом в статье: Физические основы свечения светодиода.

При контакте двух кристаллов акцепторной и донорской проводимости на их границе (p-n-переходе) возникает процесс рекомбинации дырок и электронов. Рекомбинация — исчезновение пары дырка–электрон с выделением энергии.

Если ширина запрещённой зоны полупроводников близка к энергии квантов видимого света, а примеси в полупроводниках ничтожны (идеальный кристалл), энергия рекомбинации может сопровождаться свечением.

Примечание: Отрицательные частицы полупроводников заполняют только разрешённые зоны. В запрещённых зонах идеального кристалла электроны располагаться не могут.

На практике p–n переход двух полупроводников не имеет достаточной для свечения ширины запрещённой зоны и не может быть достаточно чист от примесей, поэтому свечение на одном p–n переходе не возможно.

Решают задачу создания условий свечения светодиода, изготовление многослойных полупроводниковых структур (гетероструктур) с несколькими p–n переходами.

Связанная статья Физические основы свечения светодиода

Мы понимаем, что все процессы происходящие в светодиоде приводящие к свечению начинают работать при прохождении через него тока.

В теории, чем больше сила этого тока, тем больше интенсивность свечения LED. На практике вы не сможете бесконтрольно повышать силу тока, из-за электросопротивления перехода это приведёт к перегоранию светодиода.

Плюсы светодиодов

Всё познаётся в сравнении и для выявления положительных качеств LED нужно сравнить его с традиционными лампами.

Во-первых, в светодиоде нет потерь на нагрев нити накаливания. Однако p-n переход нагревается и требует теплоотвода.
Во-вторых, излучение LED узко–диапазонное, как говорят дизайнеры, «его свет чист» и не сопровождается ультрафиолетовым и инфракрасным излучениями.
В-третьих, устройство светодиодов механически прочно и надёжно. Срок их эксплуатации доходит до 100 тысяч часов (для малой мощности). Это в сотню раз больше, чем у ламп накаливания, и в десяток раз больше, чем у люминесцентной лампы.
В четвёртых, электропитание светодиода безопасно для человека.

Недостатки светодиодов

Себестоимость света получаемая от использования светодиодов в сотню раз выше света от галогенной лампы. Проще говоря, светодиодное освещение дорогое. Пока дорогое.

Цвет LED

Ширина запрещённой зоны полупроводника влияет на цвет светодиодного свечения LED. Самая высокая энергия квантов у Blue– LED. Правая сторона спектра видимого света. Читать статью: Что такое свет и цвет.

Основная характеристика светодиода

Эффективность работы светового диода характеризуется параметром — квантовый выход (КВ). Это отношение числа излучаемых квантов света на пары рекомбинации дырка–электрон. Разделяют внешний и внутренний квантовый выход.

Внешний квантовый выход относится к всему прибору в целом, внутренний — к излучённым квантам с самом p-n переходе.

Понятно, что внутренний КВ больше внешнего. В чистом кристалле внутренний КВ достигает 100%, при этом, внешний для синего диода равен 1/3, для красного – 1/2.

Связанная статья Что такое бактерицидное освещение: основы

Как получают белый свет светового диода

В зависимости от используемых материалов полупроводников получают светодиоды различного монохромного цвета, чаще зелёный, синий, красный.

Белый видимый цвет это смешение всех цветов радуги. Отсюда первый способ получить белый свет: разместить на единой платформе три светодиода красный, зелёный, синий. Такая световая модель LED освещения получила название RGB цвета (по первым буквам перечисленных цветов на английском языке).

Второй способ, покрыть УФ светодиод тремя люминофорами, излучающими синий, зелёный и красный свет. Третий способ, покрыть голубой диод желто-зеленым или зелёным с красным люминофором.

Характеристики светодиодов

Световой диод освещения прибор низковольтный. Для его работы потребуется постоянное напряжение не более 4 Вольт с током до 1 Ампера. Для световых модулей потребуется напряжение 12 или 24 В.

Важно понимать, что светодиод прибор полярный, то есть подключается с соблюдением полярности «+» и «－».

Каждый светодиод имеет напряжение пробоя: максимальное напряжение при котором он сможет работать. Обычно это 5 В.

Техническими характеристиками светодиодов являются:

Яркость.
Цвет.
Светоотдача.
Цена одного люмена света.

Классической технологией производства светодиодов является SMD–технологии (surfacemontagedetails – поверхностный монтаж деталей). На смену ей приходит более передовая технология СОВ (chiponboard).