Принцип работы светодиодных ламп: эффективное и экономичное освещение — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Как устроены светодиодные лампы. Из каких компонентов состоят LED-светильники. Каков принцип работы светодиодов. Какие преимущества имеют светодиодные лампы перед другими источниками света. Какие недостатки есть у LED-освещения.

Содержание

Устройство светодиодной лампы: основные компоненты

Светодиодная лампа состоит из нескольких ключевых компонентов, обеспечивающих ее работу:

Светодиоды (LED) — полупроводниковые источники света
Драйвер — электронная схема для питания светодиодов
Радиатор для отвода тепла
Корпус лампы
Цоколь для подключения к патрону

Рассмотрим подробнее устройство и назначение каждого элемента.

Светодиоды — сердце LED-лампы

Светодиоды являются ключевым компонентом, генерирующим свет. Это полупроводниковые приборы, преобразующие электрический ток непосредственно в световое излучение. В одной лампе может использоваться от нескольких до десятков светодиодов.

Драйвер — система питания светодиодов

Драйвер представляет собой электронную схему, которая преобразует переменный ток сети в постоянный ток нужных параметров для питания светодиодов. Он обеспечивает стабильную работу LED при колебаниях напряжения.

Радиатор для отвода тепла

Хотя светодиоды эффективно преобразуют электроэнергию в свет, часть энергии все же выделяется в виде тепла. Для его отвода используется радиатор, обычно алюминиевый. Это позволяет продлить срок службы светодиодов.

Корпус лампы

Корпус объединяет все компоненты и защищает их от внешних воздействий. Обычно изготавливается из пластика или алюминия. Может иметь разную форму — в виде груши, свечи, шара и т.д.

Цоколь для подключения

Цоколь обеспечивает механическое и электрическое соединение лампы с патроном светильника. Наиболее распространены цоколи Е27 и Е14.

Принцип работы светодиодной лампы

Принцип работы светодиодной лампы основан на физическом явлении электролюминесценции. Рассмотрим последовательность процессов:

При подаче напряжения на цоколь лампы ток поступает в драйвер

Драйвер преобразует переменный ток сети в постоянный ток нужных параметров
Постоянный ток подается на светодиоды
В полупроводниковой структуре светодиода происходит рекомбинация электронов и дырок
При рекомбинации выделяется энергия в виде фотонов — квантов света
Световое излучение выходит через прозрачный корпус светодиода

Таким образом, светодиод напрямую преобразует электрический ток в свет, без промежуточных стадий нагрева, как в лампах накаливания.

Преимущества светодиодных ламп

Светодиодные лампы обладают рядом существенных преимуществ по сравнению с другими источниками света:

Высокая энергоэффективность — до 150 лм/Вт
Длительный срок службы — до 50 000 часов
Экологичность — не содержат ртути
Механическая прочность
Отсутствие мерцания

Мгновенное включение без прогрева
Работа при низких температурах

Какие факторы обеспечивают такие преимущества LED-ламп? Высокая эффективность достигается за счет прямого преобразования электроэнергии в свет. Долговечность обусловлена отсутствием нити накала и газового наполнения. Прочность связана с твердотельной конструкцией.

Недостатки светодиодных ламп

При всех достоинствах, LED-лампы имеют и некоторые недостатки:

Высокая стоимость по сравнению с лампами накаливания
Возможность выхода из строя драйвера
Зависимость характеристик от температуры
Необходимость использования радиатора

Стоит отметить, что многие недостатки постепенно преодолеваются — снижается цена, повышается надежность драйверов, улучшается теплоотвод. Поэтому светодиодные лампы становятся все более конкурентоспособными.

Типы светодиодов в лампах

В современных LED-лампах используются различные типы светодиодов:

SMD (Surface Mounted Device) — светодиоды поверхностного монтажа
COB (Chip-on-Board) — светодиодные матрицы
Filament — светодиодные нити

Каковы особенности каждого типа? SMD-светодиоды компактны и недороги. COB-матрицы обеспечивают высокую яркость. Filament-светодиоды позволяют создавать лампы, похожие на классические лампы накаливания.

Цветовая температура светодиодных ламп

Светодиодные лампы могут излучать свет различной цветовой температуры:

Теплый белый (2700-3200K)
Нейтральный белый (3500-4500K)
Холодный белый (5000-6500K)

Как выбрать подходящую цветовую температуру? Теплый свет создает уютную атмосферу и подходит для жилых помещений. Нейтральный и холодный белый свет повышают работоспособность и используются в офисах, магазинах.

Сравнение светодиодных ламп с другими источниками света

Как светодиодные лампы соотносятся с другими типами ламп по ключевым параметрам?

Параметр	LED	Лампа накаливания	Люминесцентная
Эффективность, лм/Вт	80-150	10-15	50-80
Срок службы, часов	до 50 000	1000	8000-12000
Экологичность	Высокая	Средняя	Низкая

Как видно из сравнения, светодиодные лампы превосходят другие источники света по большинству параметров.

Применение светодиодных ламп

Благодаря своим преимуществам, LED-лампы находят широкое применение:

Бытовое освещение
Офисное освещение
Уличное освещение
Архитектурная подсветка
Автомобильные фары
Экраны и дисплеи

Какие факторы способствуют распространению светодиодного освещения? Это энергоэффективность, долговечность, экологичность и универсальность применения LED-технологий.

Будущее светодиодного освещения

Каковы перспективы развития светодиодных технологий? Ожидаются следующие тенденции:

Повышение эффективности до 200-250 лм/Вт
Снижение стоимости
Развитие органических светодиодов (OLED)
Интеграция с системами «умного дома»
Создание гибких и прозрачных светодиодных панелей

Можно ожидать, что в ближайшие годы светодиодное освещение станет доминирующим во всех сферах применения искусственного света.

Устройство светодиодной лампы: принцип действия, конструкционные особенности

Освещение играет важную роль в жизни человека. Оно бывает основным, акцентным, декоративным. Для создания подсветки используются различные источники света. Самыми современными, надежными и качественными приборами являются светодиодные лампы. Они имеют множество преимуществ перед классическими источниками света. Однако устройство светодиодной лампочки сложнее.

Содержание

Принцип работы
Преимущества светодиодных ламп
Устройство светодиодных источников
Брендовая продукция
Низкокачественные изделия
Филаментные приборы
Способы сборки
Рекомендации по проверке лампы при покупке

Принцип работы

Основа светодиода – полупроводниковый кристалл, состоящий из двух материалов разной проводимости.

Светодиодные лампы

Принцип работы светодиодной лампы заключается в следующем: при подаче электрического тока происходит переход частиц из одного полупроводника в другой, сопровождающийся созданием частицы света – фотона. Оба полупроводника способы пропускать ток только в одном направлении, поэтому при подключении важно соблюдать полярность. Во время подачи тока протекают и другие процессы. Часть энергии тратится на выделение тепла.

Светодиоды изготавливаются из разных материалов, поэтому их спектр, интенсивность потока, яркость также отличаются. В настоящее время светоизлучающие диоды охватывают практически весь диапазон излучения.

Принцип работы Led лампы

Светодиоды применяются в самых разных сферах: для создания освещения в доме, на производстве, в административных помещениях. С их помощью делается рекламная, художественная и архитектурная подсветка. Светодиоды можно встретить в фонарях для уличного освещения.

Преимущества светодиодных ламп

Современные источники света должны быть экономичными, эффективными и безопасными. Светодиоды полностью подходят под эти характеристики. Для работы светоизлучающего диода требуется небольшое количество энергии, при этом они выдают яркое освещение с минимальным выделением тепла. Светодиодные источники света обладают пониженной чувствительностью к скачкам в сети и имеют большое количество циклов включения и выключения. При подаче напряжения они загораются сразу, не нужно время для разогрева. Светодиоды для ламп освещения выгодно отличаются от других источников света своим долгим сроком службы – до 50000 часов.

Безопасность светодиодов заключается в отсутствии в них вредных компонентов. В колбе отсутствуют пары ртути и смесь инертных газов, поэтому они не требуют особых условий утилизации. Также светодиоды выполняются в прочном качественном корпусе. Устройства имеют низкий коэффициент пульсаций, поэтому они безопасны для человеческого здоровья.

В продаже можно найти широкий ассортимент светодиодных ламп. Они отличаются своими характеристиками, размерами, цветовой температурой, конструктивными особенностями. Светодиодные лампы выполняются разной формы – свеча, цилиндр, трубка и другие.

Недостаток, ограничивающий широкое распространение светодиодных приборов – высокая стоимость.

Устройство светодиодных источников

Конструкция светодиодной лампы

Общая конструкция ламп идентична, могут быть небольшие отличия. Они сложнее с технической точки зрения, чем лампы накаливания. Чтобы узнать, из чего состоит лампочка, ее нужно разобрать, в то время как в классическом источнике света с нитью накала просмотреть внутреннюю часть можно через стеклянную колбу.

Из чего состоит светодиодный светильник:

Led. В лампе устанавливается один или несколько светодиодов. Они отличаются по мощности, цвету свечения, размерам. Количество диодов в матрице может быть различным, вычисляется на производстве для обеспечения оптимального уровня света. Диоды припаиваются к алюминиевой или текстолитовой плате разных размеров и форм. Группы соединяются друг с другом последовательно.
Драйвер. Используется для преобразования сетевого напряжения в необходимую для работы светодиодов величину. Схемы драйверов бывают разными, чаще всего применяются трансформаторные. По конструкции выделяют открытые и закрытые, которые устанавливаются прямо в корпус лампочки. В дешевых китайских изделиях часто ставятся некачественные драйверы, которые неэффективны и могут навредить здоровью.
Цоколь. Светодиодные лампочки пришли на замену лампам накаливания, поэтому устанавливаться должны аналогичным образом. Изготавливаются приборы со стандартными цоколями Е27 и Е14.
Корпус. Колба изготавливается из пластика или стекла. Полная герметичность не требуется, так как в составе нет вредных паров ртути и газов.
Радиатор. Так как во время работы выделяется некоторое количество тепла, его нужно отвести, чтобы не было перегрева. Алюминиевая плата понижает негативное влияние температуры, но этого может быть недостаточно. Поэтому дорогие качественные лампочки дополнительно оснащаются радиаторами.

Ассортимент изделий с цоколем Е14 и Е27 можно разделить на три категории — брендовые, низкокачественные и филаментные.

Брендовая продукция

Брендовая Led-лампа

Устройство светодиодного светильника, изготовленного известной компанией, обязательно включает в себя:

Рассеиватель в форме полусферы. Может изготавливаться из пластика или стекла.
Алюминиевая печатная плата на теплопроводящей пасте.
Набор чипов.
Драйвер. Состоит из импульсного трансформатора, микросхем, полярных конденсаторов, планарных элементов. Также является соединителем цоколя и радиатора.
Основание цоколя из полиэтилентерефталата.
Цоколь с резьбой необходимого диаметра, выполненный из латуни с никелевым покрытием.

В качественном приборе обязательно есть радиатор. Он объемный и окрашивается белым полимером. Увеличивает вес и габариты лампочки, но является обязательным элементом для стабильной работы.

Низкокачественные изделия

Разобранная китайская светодиодная лампа

Приборы неизвестного производства обычно имеют низкую стоимость. Это связано с использованием некачественных материалов и отсутствием важных деталей – радиатора и драйвера. Вместо драйвера применяется обычный блок питания, размещенный рядом со светодиодами. Роль радиатора выполняет корпус, в котором проделывают отверстия. Такой способ малоэффективен, поэтому дешевые лампочки быстро выходят из строя.

Плата крепится к корпусу при помощи специальной защелки. Цоколь и плата соединяются пайкой. Такое соединение не может обеспечить высокую надежность и продолжительную работу светодиодов.

Филаментные приборы

Светодиодная филаментная лампа

Внешне филаментная лампочка похожа на лампу накаливания. Ее важное отличительное свойство – не требуется дополнительный отвод тепла. Такая светодиодная лампочка состоит из филамента и колбы.

Работает на основе светодиодных нитей. Их количество выбирается в зависимости от мощности лампы. Светодиоды размещены на тонком стеклянном стержне — эта конструкция и называется филаментом. По всей длине нанесен люминофор, поэтому лампа желтая. Отвод тепла производится через колбу, внутри которой находится смесь газов.

К недостаткам филаментной лампы можно отнести высокий коэффициент пульсаций. Частое моргание негативно влияет на зрение и психику человека, поэтому ведутся работы по модернизации конструкции лампы. Драйвер высокого качества должен устанавливаться в пластиковую вставку в виде кольца между колбой и цоколем.

Способы сборки

Светодиодные лампы можно разделить на несколько категорий по способу сборки:

Самой распространенной технологией является COB.

Принцип работы светодиодной (LED) лампы

Светодиодные светильники стали актуальными в бытовом пользовании и для различных предприятий. Принцип работы светодиодной лампы более сложный с точки зрения физических процессов, чем у лампы накаливания. Преимуществом использования является экономия электроэнергии, высокий эксплуатационный срок и безопасность.

Принцип работы

Источники света такого типа преобразовывают до 90% света, когда у ламп накаливания такой параметр в пределах 5%. Устройство светильника представляет собой компоненты, которые взаимодействуют между собой и выдают максимальные показатели освещенности:

— Основа или подложка. В данном элементе конструкции монтируется кристалл. Изготавливается из материалов, обладающих высокой теплопроводностью;

— Все элементы светодиодного светильника собираются в корпусе. Обладает дополнительной защитой от влияния погодных условий, температуры, влаги и пыли;

— Токопроводящий узел. Состоит из анода и катода, которые одной частью подключены к кристаллу, а другой – к электросхеме;

— Распространение пучка света происходит за счет линзы. Чем качественнее она, тем ярче будет освещение;

— Люминофор представляет собой вяжущее вещество, покрывающее кристалл. Чаще всего – желтого цвета, но он защищает конструкцию

Принцип работы заключается в том, что при прохождении токопроводящего слоя, свет подается на излучатель, т.е. диод. Контролирует данные процессы микросхема, на которой расположены основные элементы. Примечательно то, что в конструкции лампы входит несколько не проводящих ток элементов. Например, кремний, пропускающий ток только в одну сторону. Для его эффективной работы необходимы положительно и отрицательно заряженные ионы.

Плата питания

Рассматривая принцип работы, нельзя не упомянуть про плату, подающую питание на все компоненты. В её задачи входит выпрямить и распределить ток на все компоненты. При использовании лампочки на 220 Вольт, диоды попросту сгорят от воздействия напряжения такого типа.

От качества платы зависит долговечность работы осветительного прибора. В дешевых вариантах присутствует только резистор и диодный мост. Удивительными считаются варианты, где нет и этих элементов. Светят лампочки ярко, но не продолжительно. Распространенными считаются платы, где дополнительно находятся сглаживающий фильтр. Относятся к среднему сегменту и обладают невысокой стоимостью.

В дорогих используется уже встроенный блок питания. При любых изменения напряжения, он реагирует и подает необходимый ток на компоненты. Единственная проблема, которая может возникнуть – повышение температуры и соответственно, снижение рабочего ресурса. Покупая светодиодный источник, нужно тщательно проверять характеристики, указанные на упаковке.

Размещение светодиодов

Принцип работы светодиодных ламп не изменим с годами. Чтобы достичь максимального свечения, используется сразу от десяти и более диодов. Они расположены на плате из диэлектрика, выполняющая роль понижающего трансформатора. Но отдельного такого компонента в схеме нет, за счет чего и происходит экономия электроэнергии. Выбирается светодиодная лампа по мощности освещения и току, потребляемому во время работы.

Недостатком работы такой схемы является отключение всех источников, если один вышел из строя. Справиться с этой проблемой можно двумя способами: заменить плату или же перепаять неработающий компонент. Во второй ситуации, необходимо иметь соответствующие знания и опыт, чтобы не испортить плату.

Драйвер или блок питания

Недорогие лампы не обладают собственным драйвером. Это влияет на общую функциональность и может стать проблемой, если перепады напряжения наблюдаются часто. Владельцы светодиодных устройств отдельно приобретают БП, чтобы продлить срок эксплуатации устройств. Блоки питания могут быть трех типов:

— Открытые;

— Закрытые;

— Универсальные

Выбирается относительно тока, который могут стабилизировать и необходимого напряжения для стабилизации. Стоимость оборудования может быть выше, чем у нескольких дорогих лампочек, но при этом значительно увеличивается время эксплуатации. Поделитесь данной информацией в социальных сетях со своими знакомыми, если считаете ее полезной.

Что такое светоизлучающий диод (LED) | Принцип работы светодиода

Светодиод представляет собой полупроводниковый источник света с двумя выводами. Только в 1962 году Нику Холониаку пришла в голову идея светового диода, и он работал в компании General Electric. Светодиод — это особый тип диода с такими же электрическими характеристиками, как у диода с PN-переходом.

Позволяет току двигаться в опережение и предотвращает движение тока в противоположном направлении. Светодиод занимает небольшую площадь, менее 1 мм 2 . Во всех схемах композиции используются светодиоды

В этой статье мы увидим, что такое светодиод, какова его конструкция, каков его принцип работы, каково его использование и многое другое о светодиодах в этой статье.

Читайте также: Что такое полупроводниковые устройства? | Материалы для полупроводниковых устройств | Применение полупроводниковых устройств

Что такое светоизлучающий диод?

Конструкция светодиода:

Как работает светоизлучающий диод?

Принцип работы светодиода:

Применение светодиодов:

Преимущества светодиодов:

Недостатки светодиода:

Часто задаваемые вопросы (FAQ):

Что такое светоизлучающий диод?

Светодиод представляет собой диод с p-n-переходом, работающий по принципу электролюминесценции. Материал, называемый электролюминесцентным, используется для преобразования электрической энергии в световую, что впоследствии способствует распространению световой энергии. Когда свет излучается при переднем смещении, он называется светоизлучающим диодом.

Конструкция светодиода:

Материалы, используемые в светодиодах, обычно представляют собой арсенид галлия (GAS), фосфид галлия (GAP) или фосфид арсенида галлия (GASP). Любой из вышеперечисленных материалов может быть использован в конструкции светодиода, но цвет излучаемого света меняется с изменением материала.

В таблице ниже вы можете увидеть название материала, соответствующий цвет излучаемого ими света.

СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ	ЦВЕТ	ПРЯМОЕ НАПРЯЖЕНИЕ (В ВОЛЬТАХ)
ГаП	Зеленый/Красный	2,2
GaAsP	Желтый	2,2
GaAsP	Красный	1,8
GaN	Белый	4. 1
GaN	Синий	5,0
АллнГаП	Янтарный	2.1
AllnGaP	Желтый	2.1

Как работает светоизлучающий диод?

Светодиод — это не что иное, как светоизлучающий диод, известный нам как форма диода. Когда диод находится на стороне прямого смещения, электроны быстро движутся в дырочном переходе и непрерывно соединяются.

Это делает весь атом более стабильным, и он выбрасывает немного энергии в виде небольшого пакета или фотона света.

Как видно из рисунка, кремний N-типа имеет красный цвет и содержит электроны, что показано черными кружками. Кремний P-типа имеет синий цвет и имеет отверстия, как показано белыми кружками. Подача питания на p-n переход смещает диод вперед и переводит электроны из n-типа в p-тип. Проталкивание отверстий в противоположном направлении.

Электроны и дырки соединяются в месте соединения. Фотоны закрываются, когда электроны и дырки перестраиваются.

Читайте также: Основные сведения об оптических датчиках | Типы оптических датчиков | Применение оптических датчиков

Принцип работы светодиода:

Принцип работы светодиода основан на квантовом принципе. Согласно квантовой теории, электроны перемещаются с высоких энергетических уровней на более низкие энергетические уровни. Когда энергия высвобождается из фотона, расстояние между двумя уровнями энергии фотона одинаково

Если диод с PN-переходом находится в прямом смещении, через диод протекает ток. Течение тока в полупроводниках обусловлено двумя токами в направлении, противоположном току, и потоком электронов в направлении тока.

Следовательно, будет рекомбинация из-за потока этих носителей заряда. Рекомбинация указывает на то, что электроны в зоне проводимости прыгают ниже валентной зоны. Когда электроны перескакивают из одной зоны в другую, электроны будут излучать электромагнитную энергию в виде фотонов, а энергия фотона равна запрещенному интервалу энергий.

Читайте также: Что такое обмотка двигателя | Типы обмотки двигателя | Расчет обмотки двигателя

Применение светодиодов:

Светоизлучающие диоды имеют множество применений, но некоторые из них следующие:

Светодиоды используются в бытовых светодиодных лампах.
используется в качестве промышленного освещения.
Дороги используются в уличных фонарях и светофорах.
Используется как дисплей на мобильном телефоне.
Используется в цифровых часах и калькуляторах.

Преимущества светодиодов:

1. Температурный диапазон: Рабочий диапазон находится в широком диапазоне 0 ⁰ C -70 0 ^{2 6 ²}

2 . Время переключения: Время переключения светодиодов составляет порядка 1 нс. Таким образом, они полезны в динамических операциях, когда используется большое количество массивов.

3 . Низкое энергопотребление: Он потребляет очень мало энергии и может работать даже при низкой заданной мощности.

4. Лучшее управление: Мощность излучения светодиода зависит от тока, протекающего через него. Таким образом, интенсивность света светодиода можно легко контролировать.

5 . Экономичный и надежный: светодиоды дешевы и имеют высокую степень надежности.

6 . Маленький размер и портативность: Они небольшого размера и могут быть сложены вместе для формирования буквенно-цифрового дисплея.

Недостатки светодиода:

1. Перенапряжение или перегрузка по току: Существует вероятность потери мощности, когда мощность превышает определенный предел. То же самое возможно даже при низкой мощности.

2 . Перегрев из-за мощности излучения: Нагревается при чрезмерном увеличении мощности излучения. Это может повредить светодиод.

Часто задаваемые вопросы (FAQ):
1. Что такое светоизлучающий диод?
Светодиод представляет собой диод с p-n-переходом, работающий по принципу электролюминесценции. Материал, называемый электролюминесцентным, используется для преобразования электрической энергии в световую, которая впоследствии способствует распространению световой энергии. Когда свет излучается при переднем смещении, он называется светоизлучающим диодом.
2. Каково применение светодиодов?
Применение светодиодов следующее:
Светодиоды используются в бытовых светодиодных светильниках.
Светодиодная жидкость
используется в качестве промышленного освещения.
Дороги используются в уличных фонарях и светофорах.
Используется как дисплей на мобильном телефоне.
Используется в цифровых часах и калькуляторах.
3. Какова основная функция светодиода?
Светодиод представляет собой полупроводниковый прибор, через который проходит электрический ток. Затем он выбрасывает свет. Основная функция светодиодов — ярко светить дома, на фабриках, в офисах и т. д.
4. Каковы недостатки светодиодных светильников?
Недостатки светодиодов:
1. Перенапряжение или перегрузка по току: Существует вероятность потери, когда мощность превышает определенный предел. То же самое возможно даже при низкой мощности.
2 . Перегрев из-за мощности излучения: Нагревается при чрезмерном увеличении мощности излучения. Это может повредить светодиод.
Нравится этот пост? Не могли бы вы поделиться им с друзьями?
Рекомендуемое чтение –
Источник бесперебойного питания
Что такое генератор постоянного тока | Типы генераторов постоянного тока
Что такое заземление | Разница между заземлением и заземлением
Что такое датчик напряжения? | Типы датчиков напряжения | Применение датчиков напряжения
Что такое бумажный конденсатор | Строительство бумажного конденсатора | Применение бумажного конденсатора
Операция со светоизлучающим диодом — Inst Tools
от редакции
Символ светодиода показан на рисунке.
Основная работа светодиода (LED) заключается в следующем. Когда устройство смещено в прямом направлении, электроны пересекают p-n-переход из материала n-типа и рекомбинируют с дырками в материале p-типа. Напомним из главы 1, что эти свободные электроны находятся в зоне проводимости и имеют более высокую энергию, чем дырки в валентной зоне. Разница в энергии между электронами и дырками соответствует энергии видимого света. Когда происходит рекомбинация, рекомбинирующие электроны выделяют энергию в виде фотонов.
Излучаемый свет имеет тенденцию быть монохроматическим (один цвет), что зависит от ширины запрещенной зоны (и других факторов). Большая открытая площадь поверхности одного слоя полупроводникового материала позволяет излучать фотоны в виде видимого света. Этот процесс, называемый электролюминесценцией, показан на рис. 3–29. В процессе легирования добавляют различные примеси, чтобы установить длину волны излучаемого света. Длина волны определяет цвет видимого света. Некоторые светодиоды излучают фотоны, которые не являются частью видимого спектра, но имеют более длинные волны и находятся в инфракрасной (ИК) части спектра.
Материалы для светоизлучающих диодов (СИД)
Важным классом коммерческих светодиодов, покрывающих видимый спектр, являются III-V. тройные сплавы на основе легирования GaAs и GaP, которые обозначаются как GaAs1-yPy. InGaAlP является примером четвертичного (четырехэлементного) сплава III-V с прямой запрещенной зоной.
Светодиоды, реализованные с использованием двух полупроводников с разными примесями из одного и того же материала, называются гомопереходами. Когда они реализуются с использованием материалов с различной шириной запрещенной зоны, их называют гетероструктурными устройствами. Гетероструктурный светодиод ярче, чем светодиод с гомопереходом.
Структура светоизлучающих диодов (СИД)
Структура светодиода играет решающую роль в излучении света с поверхности светодиода. Светодиоды сконструированы так, чтобы большая часть рекомбинаций происходила на поверхности следующими двумя способами.
Увеличивая концентрацию легирования подложки, так что дополнительные свободные электроны неосновных носителей заряда перемещаются вверх, рекомбинируют и излучают свет на поверхности.
Увеличивая длину диффузии L = √ Dτ, где D — коэффициент диффузии, τ — время жизни носителя. Но при увеличении длины за критическую существует вероятность повторного поглощения фотонов устройством.
Светодиод должен быть сконструирован таким образом, чтобы фотоны, генерируемые устройством, излучались без повторного поглощения. Одно из решений состоит в том, чтобы сделать p-слой сверху тонким, достаточным для создания обедняющего слоя. На следующем рисунке показана многослойная структура. Существуют различные способы структурирования купола для эффективного излучения.
Структура светоизлучающих диодов (СИД)
Светодиоды обычно строятся на подложке n-типа с электродом, прикрепленным к слою p-типа, нанесенному на его поверхность. Субстраты P-типа, хотя и менее распространены, также встречаются. Многие коммерческие светодиоды, особенно GaN/InGaN, также используют сапфировую подложку.
Эффективность светоизлучающих диодов (LED)
Очень важным показателем светодиода является внешний квантовый выход ηext. Он количественно определяет эффективность преобразования электрической энергии в излучаемую оптическую энергию. Он определяется как светоотдача, деленная на входную электрическую мощность. Он также определяется как произведение эффективности внутреннего излучения и эффективности извлечения.
η _вн = P _вых (оптический) / IV
Для полупроводников с непрямой запрещенной зоной ηext обычно меньше 1%, тогда как для материала с прямой запрещенной зоной она может быть существенной.
η _int = скорость радиационной рекомбинации/общая рекомбинация
Внутренний КПД зависит от качества материала, структуры и состава слоя.
Светодиоды Применение
Светодиоды имеют множество применений. Ниже приведены несколько примеров.
Устройства, медицинские применения, одежда, игрушки
Дистанционные управления (телевизоры, видеомагнитофона)
Освещение
Индикаторы и признаки
optoIsolators и Optocouplers
9000 2 Соответствующие. Светодиоды производят больше света на ватт, чем лампы накаливания; это полезно в устройствах с батарейным питанием или энергосберегающих устройствах.
Светодиоды могут излучать свет заданного цвета без использования цветных фильтров, которые требуются для традиционных методов освещения. Это более эффективно и может снизить первоначальные затраты.
Прочный корпус светодиода может быть сконструирован таким образом, чтобы сфокусировать его свет. Лампам накаливания и люминесцентным лампам часто требуется внешний отражатель для сбора света и направления его удобным образом.
При использовании в приложениях, где требуется затемнение, светодиоды не меняют свой цветовой оттенок при снижении тока, проходящего через них, в отличие от ламп накаливания, которые желтеют.
Светодиоды идеально подходят для использования в приложениях, которые подвержены частым циклам включения-выключения, в отличие от люминесцентных ламп, которые перегорают быстрее при частых циклах, или газоразрядных ламп высокой интенсивности (HID), которым требуется много времени для перезапуска.
Светодиоды, являющиеся твердотельными компонентами, трудно повредить внешним ударом. Люминесцентные лампы и лампы накаливания легко разбиваются при падении на землю.
Светодиоды могут иметь относительно длительный срок службы. Срок службы светодиода Philips LUXEON k2 составляет около 50 000 часов, в то время как люминесцентные лампы обычно рассчитаны примерно на 30 000 часов, а лампы накаливания — на 1 000–2 000 часов.
Светодиоды в основном выходят из строя из-за того, что со временем тускнеют, а не из-за внезапного перегорания ламп накаливания.
Светодиоды загораются очень быстро. Типичный красный светодиодный индикатор достигает полной яркости за микросекунды; В техническом описании Philips Lumileds DS23 для Luxeon Star указано «менее 100 нс». Светодиоды, используемые в устройствах связи, могут иметь еще более быстрое время отклика.
Светодиоды могут быть очень маленькими и легко размещаться на печатных платах.
Светодиоды не содержат ртути, в отличие от компактных люминесцентных ламп.
Недостатки светодиодов (LED)
В настоящее время светодиоды дороже по цене за люмен, исходя из первоначальных капитальных затрат, чем более традиционные технологии освещения. Дополнительные расходы частично связаны с относительно низким световым потоком и необходимыми схемами привода и источниками питания. Однако при рассмотрении общей стоимости владения (включая затраты на электроэнергию и техническое обслуживание) светодиоды намного превосходят лампы накаливания или галогенные источники и начинают угрожать будущему существованию компактных люминесцентных ламп.
Рабочие характеристики светодиодов во многом зависят от окружающей температуры рабочей среды. Перегрузка светодиода при высоких температурах окружающей среды может привести к перегреву корпуса светодиода, что в конечном итоге приведет к отказу устройства. Для обеспечения длительного срока службы требуется адекватный теплоотвод.
Светодиоды должны питаться правильным током. Это может включать последовательные резисторы или источники питания с регулируемым током.
Светодиоды не являются «точечным источником» света, поэтому их нельзя использовать в приложениях, требующих сильно коллимированного луча. Светодиоды не способны обеспечить расходимость ниже нескольких градусов. Это контрастирует с коммерческими рубиновыми лазерами с расходимостью 0,2 градуса или меньше. Однако это можно исправить с помощью линз и других оптических устройств.
Растет обеспокоенность тем, что синие и белые светодиоды в настоящее время способны превысить безопасные пределы так называемой опасности синего света, как определено в спецификациях безопасности для глаз, например, ANSI/IESNA RP-27.