Принцип работы светодиодной лампы: устройство, особенности, преимущества и применение

Как устроена светодиодная лампа. Каков принцип ее работы. Какие бывают виды светодиодных ламп. Каковы их технические характеристики. Где применяются светодиодные лампы. Какие у них преимущества и недостатки.

Устройство светодиодной лампы

Светодиодная лампа имеет следующую конструкцию:

• Светодиоды — основной светоизлучающий элемент
• Радиатор для отвода тепла
• Драйвер (преобразователь напряжения)
• Рассеиватель света
• Цоколь для подключения к патрону

Главный компонент — это светодиоды, которые преобразуют электрический ток в световое излучение. Они размещаются на алюминиевой подложке, служащей радиатором для отвода тепла. Драйвер преобразует переменное напряжение сети в постоянный ток для питания светодиодов. Рассеиватель обеспечивает равномерное распределение света. Цоколь позволяет вкручивать лампу в стандартные патроны.

Принцип работы светодиодной лампы

Принцип работы светодиодной лампы заключается в следующем:

1. При подаче напряжения на цоколь оно поступает на драйвер
2. Драйвер преобразует переменное напряжение сети в постоянный ток нужных параметров
3. Постоянный ток подается на светодиоды
4. В p-n переходе светодиодов происходит рекомбинация носителей заряда
5. При рекомбинации выделяется энергия в виде фотонов света
6. Световой поток проходит через рассеиватель и освещает пространство

Таким образом, светодиодная лампа эффективно преобразует электрическую энергию в световую с минимальными потерями.

Виды светодиодных ламп

Основные виды светодиодных ламп:

• По типу цоколя: E27, E14, GU10, G13 и др.
• По форме колбы: груша, свеча, шар, рефлектор и т.д.
• По цветовой температуре: теплый белый (2700-3200K), нейтральный (4000K), холодный (5000-6500K)
• По мощности: от 3 до 100 Вт и более
• По напряжению питания: 220В и 12В

Разнообразие видов позволяет подобрать светодиодную лампу для любых целей освещения.

Технические характеристики светодиодных ламп

Ключевые параметры светодиодных ламп:

• Световой поток (лм) — количество излучаемого света
• Мощность (Вт) — потребляемая электрическая мощность
• Световая отдача (лм/Вт) — эффективность преобразования энергии
• Цветовая температура (К) — оттенок белого света
• Индекс цветопередачи (CRI) — качество передачи цветов
• Угол рассеивания — ширина светового пучка
• Срок службы (часов) — время работы до снижения яркости на 30%

Чем выше световая отдача, индекс цветопередачи и срок службы, тем качественнее и эффективнее светодиодная лампа.

Преимущества светодиодных ламп

Основные достоинства светодиодных ламп:

• Высокая энергоэффективность — экономия до 90% электроэнергии
• Длительный срок службы — до 50000 часов
• Экологическая безопасность — отсутствие ртути и других вредных веществ
• Механическая прочность — устойчивость к вибрациям и ударам
• Мгновенное включение на полную яркость
• Отсутствие мерцания и гудения
• Широкий диапазон рабочих температур
• Возможность регулировки яркости (диммирования)

Эти преимущества обеспечивают высокую популярность светодиодных ламп для различных применений.

Недостатки светодиодных ламп

Основные недостатки светодиодных ламп:

• Более высокая начальная стоимость по сравнению с традиционными лампами
• Чувствительность к перегреву — необходимость хорошего теплоотвода
• Возможность выхода из строя драйвера
• Зависимость характеристик от качества электропитания
• Сложность утилизации из-за наличия электронных компонентов

Однако преимущества светодиодных ламп значительно перевешивают их недостатки для большинства применений.

Область применения светодиодных ламп

Светодиодные лампы широко применяются в различных сферах:

• Бытовое освещение квартир и домов
• Офисное и промышленное освещение
• Уличное и архитектурное освещение
• Подсветка витрин и рекламных конструкций
• Автомобильные фары и сигнальные огни
• Декоративная подсветка в дизайне интерьеров
• Аварийное и эвакуационное освещение
• Освещение теплиц и оранжерей

Универсальность и эффективность позволяют использовать светодиодные лампы практически во всех областях, где требуется освещение.

Как выбрать качественную светодиодную лампу

При выборе светодиодной лампы следует обратить внимание на следующие факторы:

• Световой поток — должен соответствовать требуемой яркости
• Цветовая температура — подбирается под назначение помещения
• Индекс цветопередачи — не менее 80 для качественного освещения
• Угол рассеивания — зависит от геометрии освещаемого пространства
• Срок службы — не менее 25000 часов для бытового применения
• Гарантийный срок — не менее 2-3 лет от производителя
• Наличие сертификатов качества и соответствия стандартам

Качественная светодиодная лампа от надежного производителя обеспечит эффективное и комфортное освещение на долгие годы.

устройство, принцип работы, виды, характеристики

Среди владельцев частных домов, дач и квартир все чаще и чаще в обиходе используется светодиодная лампа. Это самые новые виды осветительных приборов, которые привнесли принципиально новые варианты эксплуатации электрооборудования. Они относятся к категории энергосберегающих лампочек, но помимо этого обладают и другими весомыми преимуществами. Далее мы более детально разберемся в устройстве и принципах работы светодиодных ламп.

Устройство и принцип работы

Чтобы разобраться в принципиальных отличиях светодиодной лампы, как электрического оборудования, в сравнении с другими приборами, следует детально рассмотреть ее конструктивные особенности и назначение каждого из элементов.

Рис. 1. Конструкция светодиодной лампы

Конструктивно led лампочка состоит из:

• Светодиодов
  – в старых моделях присутствовал только один кристалл, излучавший свет, однако эта технология имела ряд сложностей, поэтому современные модели включают несколько единиц или целую матрицу.
• Колбы или рассеивателя  — может изготавливаться из стекла или полимера. Предназначен для боле плавного перераспределения светового потока от точечных источников в окружающее пространство.
• Стабилизатора тока или драйвера – предназначен для преобразования поступающей на контакты диодной лампочки электрической величины, не зависимо от уровня напряжения и мощности, в строго установленную величину электротока.
• Цоколя – предназначен для соединения светодиодных ламп с электрической сетью. Чаще всего используются стандартные цоколя E и G, реже бывают другие конструкции.

Дополнительно лампа содержит полимерный или металлический корпус. Однако в led светильниках может быть встроенная матрица, и она монтируется в светодиодный прожектор напрямую.

Принцип действия светодиодной лампы заключается в такой последовательности передачи электрической энергии:

• При помещении электролампы в патрон и подаче на нее переменного напряжения сети светодиодный источник получает питание.

Рисунок 2. Принцип действия светодиодной лампы

• Как видите на рисунке 2, переменное напряжение сети в светодиодной лампе изначально поступает на выпрямительный мост, где преобразуется в выпрямленное. Конденсатор, установленный после моста дополнительно сглаживает пульсации.
• Выпрямленное напряжение переходит далее от выпрямительного устройства на микроконтроллер, контролирующий величину вырабатываемого электротока.
• Затем питание поступает на импульсный трансформатор, который и выдает электрическое напряжение непосредственно к источнику освещения.
• При достижении нужного уровня электротока происходит свечение светодиодов.

В данном примере приведен принцип действия и конструкция светодиодной лампы с гальванической развязкой. Это более дорогой, но и более надежный способ предохранить человека от поражения электротоком. На практике случаются и более дешевые светодиодные лампы, их продукция использует более дешевые платы драйвера или способы преобразования, которые не обеспечивают должного уровня безопасности и продолжительности эксплуатации.

Виды

На сегодняшний день производители светодиодных ламп предоставляют потребителям довольно широкий выбор разнообразных моделей, призванных удовлетворить потребности даже самых требовательных покупателей. Поэтому выделяют несколько параметров, по которым и различают виды светодиодных ламп:

• тип цоколя;
• форма колбы и самой лампы;
• напряжение питания;
• тип светодиодов и способ их размещения;
• световое излучение – мощность и теплота.

У светодиодных ламп часто встречается цоколь для патронов E27 – стандартный вариант, используемый в люстрах для освещения помещения и т.д. Также часто встречаются модели  E14 с диаметром цоколя 14мм, их еще называют миньонами. В некоторых вариантах встречаются штырьковые цоколи G13, G5, GU10, MR – это варианты под современные софиты и специализированные плафоны в люстрах.

Рис. 3. Типы цоколей

Значительно реже встречаются светодиодные лампочки с цоколем B или H, как специализированные варианты для узкопрофильного оборудования.

Если рассматривать вопрос о форме, то можно выделить такие виды:

• грушеобразная – классический вариант, может использовать как матовый рассеиватель, так и прозрачную колбу, в некоторых моделях совмещается полупрозрачный и непрозрачный корпус;
• грибовидная – используется в точечных светильниках, так как поверхность, излучающая световой поток сравнивается с корпусом софита;
• кукуруза – длинная модель с цилиндрическим расположением светодоидов, прекрасно подходит для горизонтального расположения в плафонах, прожекторах уличного освещения и т.д.;
• свеча – декоративная светодиодная лампа, устанавливаемая в настольные лампы, ночники или подсветки.

Как частные варианты вы можете встретить и другие формы, однако здесь мы рассмотрели наиболее популярные из них.

Рис. 4. Форма светодиодных ламп

По напряжению питания светодиодные лампы подразделяются на те, которые подключаются к бытовой сети 220В, и те, которым требуется низкое напряжение постоянного тока – 24В, 12В.

В зависимости от типа светодиодов, выделяют лампочки с монокристаллическими панелями, где обеспечивается точечное освещение за счет единственного кристалла. Но такие варианты сегодня редко встречаются, чаще используются 8 – 10 и более небольших кристаллов, которые могут отличаться габаритами для разных моделей. Особенно хорошо их видно на светодиодных лентах или лампах с прозрачным стеклом. Но некоторые энергосберегающие технологии используют светодиодные нити в газовой смеси.

Рис. 5. По типу светодиодов

Яркость свечения определяется мощностью светодиодной лампы, чем выше мощность, тем более ярко она будет светить. Для бытовых помещений подойдут модели от 3 до 10Вт, производственным потребуется уже около 20Вт, в уличные светильники устанавливают от 30 до 100Вт. Температуру свечения можно выбрать любую, в зависимости от поставленных задач – от теплой до холодной.

Температура свечения

Преимущества и недостатки

Как мы уже отмечали ранее, такой тип осветительных приборов стал популярным за счет значительных преимуществ перед их ближайшими конкурентами. К преимуществам светодиодных ламп относят:

• Продолжительный срок эксплуатации – от 10 до 100 тысяч часов, в сравнении с лампочкой накаливания, которая может обеспечить только 1 тысячу часов.
• Куда более эффективная светоотдача – от 90 до 120Лм/Вт, лампы накаливания могут похвастаться лишь 5 – 8Лм/Вт, а  люминесцентные светильники 25 – 50Лм/Вт.
• Обладает широкой гаммой цветовых температур, что делает их использование комфортным для любых помещений и нужд, а RGB светодиодные ленты могут выдавать несколько вариантов цвета свечения.
• Не боятся разгерметизации и нарушения целостности колбы, в отличии от устройств с нитью накаливания, галогенных ламп и других газосодержащих, будет с тем же успехом светить даже без наружного рассеивателя.
• Широкий диапазон рабочих температур – светодиодные аналоги не теряют своих характеристик в промежутке от – 60 до + 60°С.
• Устойчивы к незначительным отклонениям рабочего напряжения от номинального значения.
• Не выделяют вредных веществ, в отличии от люминесцентных ламп, которые содержат ртуть.

К недостаткам светодиодных ламп следует отнести их относительно высокую себестоимость, но она с лихвой окупается рабочими параметрами и сроком эксплуатации. Также существуют ситуации, когда лампочки накаливания нельзя или нецелесообразно менять на светодиодные модели.

Технические характеристики

Перед выбором конкретного осветительного устройства необходимо определиться с его основными параметрами. Из всего многообразия, которое вам следует учитывать, мы выделим:

• Мощность – определяет, сколько электрической энергии будет потребляться из сети при работе прибора. Показатель мощности важен как в части расчета за потребленную электроэнергию, так и в части количества получаемого света.
• Спектр излучения – теплый в пределах 2700 – 3300 К, дневной от 3500 до 6000К, холодный – от 6000К. Этот параметр указывается на упаковке светодиодной лампы.
• Коэффициент цветопередачи – на изделии маркируется буквами CRI или Ra. Показатель 100 является максимальным – это  уровень естественного дневного света, чуть хуже – от 100 до 90 для рабочих зон, лабораторий и т.д. В пределах 90 – 80 обычные жилые помещения, менее 80 подойдут для коридоров, подвалов и некоторых складов.
• Угол рассеивания и тип потока – могут характеризоваться направленным световым потоком или рассеянным.
• Уровень светоотдачи – определяет эффективность каждого ватта переработанной электроэнергии по отношению к выработанному световому потоку.

Область применения

Если еще десять – двадцать лет тому назад светодиодные лампы были настоящей диковинкой, то сегодня они стали полноправными фаворитами рынка. Их можно встретить в самых различных сферах человеческой деятельности:

• В освещении открытых территорий, площадок, парков;
• Для освещения бытовых и производственных помещений;
• Создания декоративной подсветки и украшения, как помещений, так и элементов ландшафта;
• В пожароопасных зонах и особо влажных помещениях;
• В автомобилях и механизации транспортных средств;
• Для работы устройств сигнализации, телемеханики и управления.

Но и этот список не является окончательным, за счет развития и совершенствования технологий, светодиодные лампы продолжают расширять область применения.

FAQ

1. Почему перегорают светодиодные лампочки в ванной и на кухне? Включил свет на кухне. Небольшой хлопок и перегорела светодиодная лампочка. Заменил — работает. На второй день включаю в ванной, хлопок перегорела и там, заменил — не горит. Проверил индикаторной отверткой, в выключателе горит индикатор, а в патроне в ванной нет. Выключатель двухклавишный в ванную и на кухню. Помогите, пожалуйста, советом.

   Подскажите по поводу нынешнего положения с освещением, — в патроне, где индикаторная отвертка показала отсутствие напряжения теперь лампочка не светиться даже после замены? Если это так, то налицо неисправности в электрической цепи на участке от выключателя непосредственно до самой лампы.

   В перечень неисправностей следует отнести жилы кабеля, которые могли перегореть, в результате чего образовался разрыв в цепи, распределительная коробка, место подключения электропроводки к люстре, патрон. В любом из этих случаев причиной является плохой контакт, который создает «экстремальные условия» для светодиодов и приводит к их преждевременному перегоранию.

   Если же контакт не нарушен и новая лампа нормально горит, возможны и другие причины:

   — Превышение номинального напряжения – если лампа рассчитана максимум на 230 В, а в электрической цепи присутствует 245 В, то срок службы сократится.
   — Не соответствует мощность лампы и условия эксплуатации по нагреву. Эта причина проявляется при монтаже в закрытый плафон, где лампочка перегревается, в случае использования некачественного радиатора.
   — Низкое качество ламп – многие производители обеспечивают доступную цену за счет экономии на комплектующих элементах. В результате используется слабый драйвер, выдающий пульсирующий ток или устанавливаются самые дешевые светодиоды.
   — При использовании выключателя с подсветкой, причиной может быть постоянное мерцание осветительного оборудования из-за шунтирования цепи контактов.
   — Если светодиодные лампы питаются от пониженного напряжения, то проблемы могут быть и в блоке питания.

Как устроена и как работает светодиодная лампа

Светодиодные лампочки пользуются все большей популярностью у покупателей, что объясняется рядом достоинств этих источников света. В отличие от классических ламп накаливания и ламп дневного света их энергопотребление существенно ниже, да и рабочий ресурс заметно больше. При равной потребляемой мощности LED-лампочки обеспечивают лучшую освещенность комнат, чем те же люминесцентные аналоги. Все это вынуждает подробно ознакомиться с тем, что такое светодиодная лампа, какой у нее принцип работы и конструкция. Итак, обо всем по порядку.

• Устройство LED-лампы
• Принцип действия
• Различия по типу питания
• Область применения
• Виды ламп и оценка их качества

Устройство LED-лампы

Пользователям, желающим ознакомиться с тем, что это такое, придется разобраться с конструкцией и принципом работы светодиодной лампочки. Прежде всего, классический LED светильник представляет собой сборное устройство, состоящее из следующих основных узлов (фото ниже):

• Нескольких светодиодных излучателей, размещенных на теплоотводящей алюминиевой подложке (радиаторе).
• Матового куполообразного рассеивателя, конструкция которого обеспечивает равномерность распределения светового потока.
• Электронного преобразователя (драйвера), снабжающего LED светодиоды питанием нужного качества.
• Стандартного цоколя (E14, E 27, E 40 и других типов).

Важно! В простейших моделях лампочек от китайского производителя может устанавливаться один мощный светодиод.

При рассмотрении различных вариантов исполнения светодиодных лампочек важно научиться различать их по величине питающего напряжения.

Принцип действия

Принцип работы лампочки на светодиодах представляется как ряд преобразований, обеспечивающих свечение входящих в ее состав излучателей. При подаче питающего напряжения на цоколь сначала оно поступает на драйвер, назначение которого как раз и состоит в приведении высокого напряжения к приемлемому для LED ламп виду.

Чтобы кратко описать этот способ энергообеспечения, достаточно обратиться к следующей схеме:

Если выражаться простыми словами – ее работа может быть представлена так:

1. Сначала переменное напряжение подается на диодный мост, где частично выпрямляется.
2. Следующая за ним электролитическая емкость предназначена для сглаживания пульсаций.
3. После этого полностью выпрямленное напряжение подается на контроллер, управляющий работой LED лампы.
4. С электронного модуля оно через развязывающий импульсный трансформатор поступает непосредственно на светодиоды.

Важно! При ответе на нередко задаваемый вопрос: для чего нужна такая развязка, ответим – ее наличие частично снижает угрозу поражения высоким напряжением при работе с цоколем лампы.

Принцип действия LED лампочки на 12 Вольт намного проще, поскольку для преобразования напряжения потребуется типовой блок питания и ничего больше. А это, в конечном счете, снижает стоимость всего изделия в целом.

Различия по типу питания

В соответствие с этим параметром известные образцы LED ламп подразделяются на следующие модификации:

• со светодиодами, рассчитанными на 220 Вольт.
• работающие от пониженного и выпрямленного напряжения 12 Вольт.

Первые в этом списке источники света работают в типовых электросетях и включаются подобно обычным лампам накаливания.

Светодиодные лампы, рассчитанные на 12 Вольт постоянного тока, благодаря низкому напряжению и широкому выбору цоколей, относятся к универсальным изделиям.

Для работы таких ламп потребуется специальный блок питания, понижающий переменное сетевое напряжение до постоянной величины 12 Вольт.

Область применения

При рассмотрении вопроса о том, где применяются светодиодные лампы, потребуется отдельный подход к различным образцам. Изделия, включаемые непосредственно в сеть 220 Вольт, эксплуатируются как обычные лампы (люминесцентные или накаливания) с соответствующим цоколем. В отличие от них низковольтные светодиодные осветители используются в самых различных целях, начиная от точечного освещения при обустройстве натяжных потолков и заканчивая организацией наружной и внутренней подсветки. Отдельные образцы позиционируются как автомобильные лампочки, устанавливаемые в большинстве моделей современного автотранспорта.

Важно! Сравнительно низкое по величие напряжение питания обеспечивает светодиодным лампам высокую электрическую и пожарную безопасность (исключает удар током и возгорание).

Указанные достоинства позволяют расширить область применения LED лампочек и устанавливать низковольтные модели в следующих ситуациях:

1. В помещениях повышенной влажности (например, при обустройстве светодиодной подсветки зеркала в ванной).
2. В условиях высокой пожарной и взрывоопасности.
3. При обустройстве подсветок различного вида.
4. В складах и подвальных помещениях.
5. На улице под открытым небом.

В последнем случае такие лампы могут эксплуатироваться без специальных мер защиты и использования проводки с повышенными требованиями к надежности изоляции.

Обратите внимание: Универсальность светодиодных ламп подчеркивается тем, что в качестве блока питания в них нередко используется модуль от ленточных светодиодных подсветок.

Однако для надежности эксплуатации низковольтных ламп лучше всего воспользоваться специализированным блоком питания 12 Вольт, рассчитанным на работу со светодиодами.

Виды ламп и оценка их качества

С технической точки зрения все рассмотренные светодиодные лампы различаются по следующим показателям:

• Вид питания (220 или 12 Вольт).
• Тип цоколя.
• Количества светодиодов.
• Мощность освещения (световой поток).
• Форма корпуса.

По конструктивным особенностям, влияющим на надежность данного образца и его стоимость, LED лампочки подразделяются на фирменные изделия и на дешевые китайские образцы. Последние из них имеют более простое устройство и не отличаются высокой надежностью.

Конструктивные отличия брендовых изделий от китайского ширпотреба проявляется в таких деталях как наличие «мощного» теплового отвода и качественно оформленные рассеиватель и цоколь.

 

Любая лампочка на светодиодах, представленная на рынке, рассматривается пользователем двояко: со стороны ее надежности (качества) и с точки зрения издержек на покупку. При таком подходе к приобретению осветителей выбор остается за самим покупателем. В заключение отметим, что светодиоды позволяют на практике реализовать принцип экономии электроэнергии в бытовых условиях. Благодаря особенностям их устройства и функционирования удается сберечь часть средств, расходуемых на осветительные нужды.

Теперь вы знаете, что такое светодиодная лампа, как она устроена и как работает. Надеемся, предоставленная информация была для вас понятной и полезной!

Материалы по теме:

• Как выбрать светодиодные лампы для дома
• Как понизить напряжение в сети
• Как экономить на освещении

Опубликовано 27.06.2019 Обновлено 27.06.2019 Пользователем Александр (администратор)

Что такое светодиод? — Конструкция, работа, характеристики и применение

Светодиод (светоизлучающий диод) представляет собой оптоэлектронное устройство , работающее по принципу электролюминесценции. Электросветимость — это свойство материала преобразовывать электрическую энергию в световую энергию, а затем излучать эту световую энергию. Точно так же полупроводник в светодиоде излучает свет под действием электрического поля.

Символ светодиода образован слиянием символа диода P-N перехода и направленных наружу стрелок. Эти направленные наружу стрелки символизируют свет, излучаемый светодиодом.

Теперь возникает вопрос, как полупроводниковый материал в светодиодах излучает свет? Ответ на этот вопрос заключается в конструкции и работе светодиода. Символ светодиода описан на схеме ниже, этот же символ используется в электронных схемах.

Конструкция светодиода

В светодиодах используется полупроводниковый материал: арсенид галлия (GaAs) , галлия фосфид (GaP) или арсенид галлия фосфид (GaAsP). Любое из вышеупомянутых соединений может быть использовано для изготовления светодиода, но цвет излучаемого света меняется с изменением материала. Ниже приведены некоторые материалы и соответствующий им цвет света, который они излучают. Помимо него, ниже также приведены диапазоны типового прямого напряжения.

Материалы в конструкции	Цвет	Прямое напряжение (в вольтах)
GaP	Зеленый/Красный	2,2
GaAsP	Желтый	2,2
GaAsP	Красный	1,8
GaN	Белый	4,1
GaN	Синий	5,0
AllnGaP	Янтарный	2.1
AllnGaP	Желтый	2.1

Внутренняя архитектура светодиода

Полупроводниковый слой P-типа расположен выше N-типа , поскольку рекомбинация носителей заряда происходит в p-типе. Кроме того, это поверхность устройства, поэтому излучаемый свет хорошо виден на поверхности. Если P-тип будет размещен ниже, свет будет излучаться с поверхности P-типа, но мы не сможем его увидеть. Именно по этой причине P-тип размещен выше.

Слой P-типа формируется за счет диффузии полупроводникового материала. С другой стороны, в области N-типа эпитаксиальный слой выращивается на подложке N-типа. Металлическая пленка используется на слое P-типа для обеспечения анодного соединения с диодом. Точно так же слой золотой пленки нанесен на N-тип для обеспечения катодного соединения.

Значение слоя золотой пленки

Слой золотой пленки на N-типе также обеспечивает отражение от нижней поверхности диода. Если какая-либо значительная часть излучаемого света стремится попасть на нижнюю поверхность, то она будет отражаться от нижней поверхности на верхнюю поверхность устройства. Это увеличивает эффективность светодиода.

Работа светодиода

Электроны являются основными носителями в N-типе, а дырки являются основными носителями в P-типе. Электроны N-типа находятся в зоне проводимости, а дырки P-типа — в валентной зоне. Энергетический уровень зоны проводимости выше, чем энергетический уровень валентной зоны. Таким образом, если электроны имеют тенденцию к рекомбинации с дырками, они должны потерять часть энергии, чтобы попасть в более низкую энергетическую зону.

Электроны могут терять свою энергию в виде тепла или света. Электроны в кремнии и германии теряют свою энергию в виде тепла. Таким образом, они не используются для светодиодов, поскольку нам нужен полупроводник, в котором электроны теряют свою энергию в виде света.

Излучение фотонов

Таким образом, полупроводниковые соединения, такие как фосфид галлия (Gap), арсенид галлия (GaAs), фосфид арсенида галлия (GaAsP) и т. д. излучают свет при рекомбинации электронов и дырок. Электроны в этих соединениях теряют свою энергию при испускании фотонов.

Если полупроводниковый материал полупрозрачный , свет будет излучаться из соединения, поскольку соединение действует как источник света. Светодиод работает в режиме прямого смещения 9Только режим 0004. Если он будет работать с обратным смещением, он получит повреждение, так как не выдержит обратного напряжения.

Вольт-амперные характеристики светодиодов

Кривая характеристик светодиода показывает, что прямого смещения 1 В достаточно для экспоненциального увеличения тока.

Кривая выходных характеристик показывает, что мощность излучения светодиода прямо пропорциональна прямому току в светодиоде.

Преимущества светодиода

1. Диапазон температур : Может работать в широком диапазоне температур от 0 ⁰ C до 70 ⁰ C
2. Время переключения: Время переключения светодиодов составляет порядка 1 нс. Таким образом, они полезны в динамических операциях, где используется большое количество массивов.
3. Низкое энергопотребление: Они потребляют меньше энергии, и их можно использовать, даже если подаваемая мощность постоянного тока низкая.
4. Лучшее управление: Мощность излучения светодиодов зависит от протекающего в них тока. Таким образом, интенсивность света светодиода можно легко контролировать.
5. Экономичность и надежность: светодиоды дешевы и обладают высокой степенью надежности.
6. Маленький размер и портативность: Они небольшого размера и могут быть сложены вместе для формирования буквенно-цифровых дисплеев.
7. Более высокая эффективность: Эффективность преобразования мощности светодиодов в световую энергию в 10-50 раз выше, чем у вольфрамовой лампы. Время отклика светодиода составляет 0,1 мкс, в то время как в случае вольфрамовой лампы оно измеряется десятками или сотнями миллисекунд.

Недостатки светодиодов

1. Перенапряжение или перегрузка по току: Светодиоды могут выйти из строя, если ток превысит определенный предел.
2. Перегрев из-за мощности излучения:  Он перегревается при чрезмерном увеличении мощности излучения. Это может привести к повреждению светодиода.

Применение светодиода

1. Индикатор в цепи переменного тока: Может использоваться в качестве индикатора в цепи переменного тока, но внутреннее сопротивление светодиода очень мало. Таким образом, резистор последовательно соединен со светодиодом, так что перегрузка по току может протекать через резистор и защищать светодиод от повреждения.

2. Индикатор панели дисплея: светодиода используются для отображения информации, обрабатываемой электронными схемами. Формат отображения светодиода показан на диаграмме ниже.

3. Цифровые часы, калькуляторы и мультиметры: Светодиоды, излучающие видимый свет, используются в цифровых часах и калькуляторах для индикации.
4. Системы дистанционного управления и системы охранной сигнализации: В таких приложениях используются светодиоды, излучающие невидимый инфракрасный свет, такие как светодиоды GaAs.

Преимущества, недостатки и области применения светодиодов. Светодиод является важным оптоэлектронным устройством. Он также используется в системе связи по оптоволоконному кабелю.

Взаимодействие с читателем

Принцип работы светодиода — Инженерные знания

Здравствуйте, ребята, надеюсь, у вас все хорошо. В сегодняшнем уроке мы рассмотрим принцип работы светодиода . Полная форма светодиода — это светоизлучающий диод. Это диод, излучающий свет при подаче входного питания. Это полупроводниковые приборы и, как и другие диоды, имеют PN-переход. Свет, излучаемый диодом, зависит от энергии, необходимой для ширины запрещенной зоны полупроводникового материала. Для излучения белого света используется более одного слоя полупроводникового материала и может использоваться люминофор. Это время использовалось для общих целей в 1962, но их интенсивность света была меньше и они излучали инфракрасный свет.

Светодиоды, излучающие инфракрасный свет, используемые в схемах дистанционного управления, таких как пульт ЖК-дисплея и т. д. Используемые в настоящее время светодиоды излучают свет в ультрафиолетовом, видимом и инфракрасном диапазоне длин волн. Старые типы светодиодов использовались в различных лампах накаливания небольшого размера, индикаторных лампах и 7-сегментных дисплеях. В настоящее время светодиоды, производящие свет высокой интенсивности, используются в зданиях и помещениях для освещения. У светодиодов есть многочисленные преимущества перед лампами накаливания, такие как меньшее энергопотребление, более длительный срок службы, меньшие габариты и т. д. Диоды используются в светофорах, камерах, различных медицинских инструментах. В сегодняшнем посте мы подробно рассмотрим его работу, приложения и некоторые другие связанные параметры. Итак, начнем с Принцип работы светодиода.

Принцип работы светодиода

• LED означает светоизлучающий диод, и на рисунке ниже вы можете увидеть символ светодиода.
• Работа светодиода очень проста, когда светодиод находится в условиях прямого смещения, электроны, находящиеся на стороне N диода, пересекают PN-переход и входят в область P, объединяются с дырками, существующими в этой области, и излучают свет.

• Как мы обсуждали в учебнике об атоме, существуют две основные энергетические зоны: первая — это зона проводимости с большим количеством электронов, в данном случае это N-область.
• Второй — это валентная зона, представляющая собой P-область диода и имеющая отверстия. Поэтому, когда электроны перемещаются из зоны высокой проводимости в валентную зону или соединяются с дырками, высвобождается энергия в виде света.
• Тип излучаемого света зависит от типа запрещенной зоны и других связанных параметров.
• Большая видимая область на одном листе полупроводникового вещества позволяет испускать фотоны в виде видимого света.
• Эта процедура известна как электролюминесценция и описана на рисунке ниже.
• Для поддержания длины волны излучаемого света в процессе добавляются многочисленные материалы. Цвет видимого света зависит от излучаемой длины волны.
• Есть некоторые светоизлучающие диоды, которые испускают свет, который не находится в спектре видимого света, но их длина волны больше и выходит в инфракрасной области спектра.

Полупроводниковые материалы для светодиодов

• В более старых светодиодах использовался GaAs, испускающий невидимое инфракрасное излучение.
• Для производства видимого первого светодиода, излучающего видимый свет, используется галлий, фосфид арсенида (GaAsP) на подложке GaAs.
• Для увеличения яркости этого светодиода в качестве подложки использован фосфид галлия (GaP), в результате чего были созданы красные светодиоды большой интенсивности и светодиоды оранжевого цвета.
• Для получения бледно-зеленого света для излучения света использовался GaP.
• Для излучения желтого света в светодиоде использовались чипы красного и зеленого цвета.
• Впервые сверхяркие красные, желтые, зеленые и светоизлучающие диоды были созданы с использованием фосфида арсенида галлия-алюминия.

• В начале 1990-х годов были созданы сверхъяркие светодиоды с использованием InGaAlP, излучающие оранжевый, красный и зеленый цвета света.

Смещение светодиода

• Напряжение, необходимое для прямого смещения светодиода, больше, чем у диода, изготовленного из силикона.
• Обычно прямое смещение напряжения для светодиода составляет от 1,2 до 3,2 вольт в зависимости от используемого материала.
• Напряжение для обратного смещения светодиода меньше, чем у диода, используемого для цепей выпрямителя, обычно от 3 до 10 вольт.
• Излучаемый свет зависит от тока, используемого для прямого смещения светодиода. Вы можете видеть на схеме, обозначенной как (а).

• График на рисунке показывает, что излучаемый свет прямо пропорционален току, необходимому для прямого смещения диода.
• Приращение I _F увеличивает свет, излучаемый светодиодом.
• Интенсивность света также зависит от температуры. На рисунке видно, что интенсивность жизни уменьшается с увеличением температуры.

Световое излучение светодиода

• Светодиод излучает свет в определенном диапазоне длин волн, как показано на рисунке через спектральную кривую.
• Кривая на графике (a) объясняет связь излучаемого света с длиной волны соответствующих видимых светодиодов.
• График (b) для инфракрасного светодиода. Используемая единица длины волны (нм).
• Стандартные пики излучения видимого красного светодиода составляют 660 (нм), максимальная длина волны желтого — 590 нм, зеленого — 540 нанометров и синего — 460 нанометров. Инфракрасный светодиод находится на 490 нм.

• На рисунке ниже показана диаграмма направленности светодиодов малого размера.
• Свет излучения светодиодов имеет направления, в отличие от ламп накаливания и люминесцентных ламп.
• Диаграмма испускаемого излучения находится под углом 90 градусов к поверхности, из которой исходит излучение.
• Это может быть очень за счет использования линзы, изменения формы излучающей поверхности и использования диффузионных пленок в заданном направлении.
• Указанная диаграмма направленности имеет множество преимуществ для различных приложений, таких как сигнал светофора, где свет должен быть виден только определенным водителям.
• На рисунке обозначено как (а) показан шаблон для светодиода в прямом направлении.
• Используется в индикации панелей.

• На рисунке, обозначенном как (b) показана схема для более широкого угла обзора, используемая во многих сверхъярких светодиодах.
• С помощью этих двух шаблонов можно создать множество шаблонов длин волн светодиода.

• Малогабаритный светодиод, используемый в различных индикаторах, показан на рисунке ниже. С небольшими светодиодами, используемыми в индикаторах, светодиоды большого размера используются для целей освещения из-за их большой эффективности и долговечности.
• Обычный светодиод может излучать от пятидесяти до шестидесяти люменов на ватт, что почти в пять раз больше, чем у обычной лампы накаливания.
• Различные конфигурации светодиодов показаны на рисунке ниже.

 

Спецификация светодиода

• Спецификация инфракрасного светодиода TSMF1000 показана на рисунке ниже. Вы можете видеть, что значение максимального напряжения для обратного смещения составляет всего пять вольт, предельный ток для прямого смещения составляет сто миллиампер, а падение напряжения для прямого смещения составляет почти 1,3 вольта при значении тока прямого смещения в двадцать миллиампер.
• На графике, обозначенном как (c), , видно, что пиковая выходная мощность этого диода приходится на длину волны 870 нм, а его диаграмма направленности показана на рисунке, обозначенном (d).

Применение светодиодов

Семисегментный дисплей

• Обычные светоизлучающие диоды используются в различных индикаторных лампах на различных устройствах, от бытовых приборов до приборов, используемых в исследовательских целях.
• Обычное устройство, в котором используется светодиод, представляет собой 7-сегментный дисплей. Расположение светодиодов для 10 десятичных цифр показано на рисунке ниже.
• Путем прямого смещения определенной комбинации светодиодов мы можем получить каждую десятичную цифру и десятичную точку.
• На соответствующем рисунке 2 показана конфигурация схемы светодиодов первой категории с общим анодом и второй категории с общим катодом.

• Обычно светодиоды, излучающие инфракрасные лучи, используются для телевизоров, DVD, доводчиков и т. д.
• Инфракрасный луч передается через ИК-светодиод и обнаруживается приемником, установленным в телевизоре.

• Например, для каждой кнопки пульта ДУ телевизора есть специальный код,
• При нажатии любой кнопки пульта ДУ для смены канала вырабатывается специальный электрический кодированный сигнал, который передается на светодиод, который трансформируется в кодированный ИК световой сигнал.

• Приемник, установленный в телевизоре, считывает сигнал кода и выполняет соответствующую задачу, которую вы отправляете на телевизор либо для изменения канала, либо для уровня громкости.
• Эта особая конструкция используется для подсчета бейсбольных мячей, когда они по желобу подаются в коробку для доставки.
• Когда каждый мяч движется по желобу, инфракрасный луч, испускаемый светодиодом, искажается.
• Это воспринимается фотодиодом, а результирующее изменение тока обнаруживается схемой датчика.
• Электронная схема подсчитывает каждый раз, когда ИК-луч нарушается, определенное количество шаров проходит через желоб, срабатывает техника остановки, чтобы остановить движение шаров до тех пор, пока следующий незаполненный ящик не будет самопроизвольно перемещаться на место на конвейере.
• Этот метод используется для подсчета и контроля упаковки многих других типов вещей.

Светодиоды высокой интенсивности

• Светодиоды, которые генерируют большую мощность, чем обычные светодиоды, используются во многих приложениях, таких как светофоры, автомобильные фонари, внутреннее и наружное освещение, рекламные вывески и т. д.

Использование светодиодов в светофорах

• Использование ламп накаливания в светофорах заменено на светодиоды. Светодиоды небольшого размера используются в виде матрицы для получения красного, зеленого и желтого света.
• У светодиодов есть 2 преимущества перед лампами накаливания. Во-первых, светодиоды ярче, срок службы больше и потребляет меньше энергии почти на 90 процентов меньше, чем лампы накаливания.
Светодиодные светофоры
• собраны в массивы с линзами, которые усиливают и направляют излучаемый свет.
• На рисунке ниже показана работа светофорной решетки с использованием красного светодиода
• Для пояснения показана сравнительно меньшая плотность светодиодов.
• Количество светодиодов и расстояние между ними при использовании в светофорах зависит от диаметра блока, категории линз, цвета и интенсивности излучаемого света.
•  При использовании светодиодов подходящей плотности и линзы светофор размером восемь или двенадцать дюймов будет выглядеть в основном как одноцветная сфера.
• В матрице светофоров используется параллельная и последовательная комбинация светодиодов. Комбинация последовательностей какое-то время не использовалась, так как если один светодиод поврежден или выключен, все остальные будут выключены.
• Обладая преимуществом параллельной комбинации, у нее есть недостаток, заключающийся в том, что она требует сопротивления, что делает ее дорогостоящей.
• Чтобы свести к минимуму использование ограничительных сопротивлений, используется последовательное и параллельное сочетание светодиодов, как показано на рисунке ниже.

• Для максимального эффекта излучаемого света некоторые линзы светофоров имеют отражатели небольшого размера.
• Оптическая линза также используется для покрытия передней стороны массива, чтобы обеспечить правильное направление света, излучаемого диодом. Эта линза также сводит к минимуму нежелательную дисперсию света.
• На приведенном ниже рисунке показано использование линзы для правильного направления света на наблюдателя.

• Конкретное расположение схем светодиодов зависит от приложенного напряжения и цвета светодиода.
• Для получения разных цветов светодиода предусмотрено различное значение напряжения. Для красного светодиода требуется меньшее напряжение, и если мы перейдем от красного к синему цвету в спектре, необходимое напряжение для цветов увеличится.
• Обычно для красного светодиода требуется два вольта, для синего светодиода требуется три-четыре вольта.
• Обычно для светодиодов требуется от двадцати миллиампер до тридцати миллиампер тока, независимо от их желаемого напряжения.
• На рисунке ниже показана общая кривая характеристик V-I для красного, желтого, зеленого и синего цветов.

Светодиодные дисплеи

• В наружных и внутренних вывесках, досках объявлений и больших телевизорах используются светодиоды. Эти вывески могут иметь один или несколько цветов или полноцветные.
• Полноцветные экраны имеют небольшие группы высокоинтенсивных зеленых, красных и синих светоизлучающих дидо, образующих пиксели.
• Обычный экран состоит из тысяч красных, зеленых и синих пикселей или пикселей цвета RGB.
• Сине-зеленый и красный являются основными цветами при слиянии друг с другом в разной концентрации, чем можно использовать для получения любого цвета, существующего в видимом диапазоне.
• На рисунке ниже показан основной пиксель, созданный с использованием 3-х светодиодов.

•  Светоотдача от каждого из 3 диодов может быть изменена автономно путем изменения количества прямого тока.

Похожие сообщения

• Диод регулятора тока
• Стабилитрон
• Диод ступенчатого восстановления
• PIN-диод
• Диод Шоттки
• Фотодиод
• Варакторный диод
• Диод
• Стабилитрон Применение
• Лазерный диод
• Светодиод

Итак, друзья, это полный пост о принципе работы светодиода. Я объяснил каждый параметр, связанный с принципом работы светодиода.