Светодиоды принципы работы виды характеристики области применения. Светодиоды: принципы работы, виды, характеристики и области применения

Что такое светодиоды. Как устроены и работают светодиоды. Какие бывают виды светодиодов. Каковы основные характеристики светодиодов. Где применяются светодиоды в современном мире.

Что такое светодиод и как он устроен

Светодиод (светоизлучающий диод, СД, LED) — это полупроводниковый прибор, излучающий свет при прохождении через него электрического тока. Основные компоненты светодиода:

• Полупроводниковый кристалл с p-n переходом
• Отражатель
• Корпус с контактными выводами
• Линза (в некоторых конструкциях)

Принцип работы светодиода основан на явлении электролюминесценции — излучении света при рекомбинации электронов и дырок в области p-n перехода. Цвет излучения зависит от материала полупроводника и ширины запрещенной зоны.

Основные виды и типы светодиодов

Существует несколько основных типов светодиодов:

Индикаторные светодиоды

Используются для индикации и подсветки. Основные разновидности:

• DIP-светодиоды в выводном корпусе
• SMD-светодиоды для поверхностного монтажа
• Светодиоды Piranha
• Светодиоды Straw Hat

Осветительные светодиоды

Применяются для освещения помещений и улиц. Основные типы:

• Мощные SMD-светодиоды
• COB-светодиоды (Chip-on-Board)
• Filament LED

Лазерные диоды

Генерируют когерентное излучение. Используются в оптических приводах, лазерных указках и т.д.

Ключевые характеристики светодиодов

При выборе и применении светодиодов учитывают следующие важные параметры:

Сила тока

Определяет яркость свечения и энергопотребление. Типичные значения:

• Индикаторные светодиоды: 20-30 мА
• Осветительные светодиоды: 350-1000 мА

Световая отдача

Характеризует эффективность преобразования электроэнергии в свет. Современные светодиоды достигают 150-200 лм/Вт, что значительно выше, чем у традиционных источников света.

Цветовая температура

Для белых светодиодов определяет оттенок света:

• 2700-3500K — теплый белый
• 4000-5000K — нейтральный белый
• 5500-6500K — холодный белый

Основные сферы применения светодиодов

Благодаря своим преимуществам светодиоды широко используются в различных областях:

• Освещение помещений и улиц
• Автомобильная светотехника
• Подсветка экранов и дисплеев
• Световая индикация в приборах
• Декоративная подсветка
• Оптическая связь

Светодиодные технологии продолжают активно развиваться, открывая новые возможности применения в различных сферах.

Преимущества и недостатки светодиодов

Светодиоды обладают рядом важных достоинств по сравнению с традиционными источниками света:

Преимущества LED

• Высокая энергоэффективность (до 150-200 лм/Вт)
• Длительный срок службы (до 50 000 — 100 000 часов)
• Отсутствие ультрафиолетового и инфракрасного излучения
• Мгновенное включение на полную яркость
• Компактные размеры
• Широкий диапазон цветовой температуры

Недостатки светодиодов

При этом у светодиодов есть и некоторые недостатки:

• Высокая начальная стоимость
• Чувствительность к перегреву
• Необходимость применения драйверов питания
• «Холодный» спектр некоторых белых светодиодов

Принцип работы светодиодов

Принцип работы светодиода основан на явлении электролюминесценции в полупроводниках. Ключевые этапы:

1. При подаче прямого напряжения через p-n переход протекает электрический ток
2. Электроны из n-области переходят в p-область и рекомбинируют с дырками
3. При рекомбинации выделяется энергия в виде фотонов света
4. Длина волны (цвет) излучения зависит от ширины запрещенной зоны полупроводника

Для получения белого света используются следующие основные технологии:

• Синий кристалл + желтый люминофор
• УФ-кристалл + RGB-люминофор
• Комбинация красного, зеленого и синего кристаллов

Подключение и питание светодиодов

При подключении светодиодов необходимо учитывать следующие особенности:

• Светодиоды питаются от источников постоянного тока
• Требуется соблюдение полярности подключения
• Необходимо ограничение тока через светодиод

Для ограничения тока применяются:

• Токоограничивающие резисторы (для маломощных светодиодов)
• Линейные и импульсные драйверы тока (для мощных светодиодов)

При последовательном соединении нескольких светодиодов напряжение питания должно быть равно сумме падений напряжений на всех светодиодах.

Перспективы развития светодиодных технологий

Светодиодные технологии продолжают активно развиваться по следующим направлениям:

• Повышение световой отдачи до 300-400 лм/Вт
• Улучшение качества света и индекса цветопередачи
• Снижение стоимости производства
• Создание гибких и прозрачных светодиодов
• Развитие органических светодиодов (OLED)
• Интеграция светодиодов в умные системы освещения

Это позволит еще больше расширить сферы применения светодиодов и сделать их основным источником света в будущем.

Все о светодиодах: виды, характеристики, сферы применения, принцип работы

Светодио́д или светоизлучающий диод (СД, СИД, LED англ. Light-emitting diode) — полупроводниковый прибор с электронно-дырочным переходом, создающий оптическое излучение при пропускании через него электрического тока. Излучаемый свет лежит в узком диапазоне спектра. Его спектральные характеристики зависят во многом от химического состава использованных в нём полупроводников. Иными словами, кристалл светодиода излучает конкретный цвет (если речь идёт об СД видимого диапазона), в отличие от лампы, излучающей более широкий спектр и где конкретный цвет отсеивается внешним светофильтром.

Содержание

1. Сферы применения
2. Устройство светодиода
3. Принцип работы светодиодов
4. Индикаторные и осветительные LED
5. Индикаторные LED
6. 1. DIP светодиоды
7. 2. Super Flux “Piranha”
8. 3. Straw Hat
9. 4. SMD светодиоды
10. Осветительные LED
11. 1. Осветительные SMD LED
12. 2. COB светодиоды
13. 3. Filament LED
14. Лазерные диоды
15. Основные характеристики светодиодов:
16. Величина тока потребления светодиода
17. Эффективность (светоотдача).
18. Цветовая температура.
19. Мощность светодиодов.
20. Угол свечения.
21. Деградация (ресурс) светодиодов.
22. Угол рассеивания.
23. Срок эксплуатации
24. Итоги:

Сферы применения

Проще перечислить те сферы нашей жизни, где smd-светодиодов нет, чем те, где они используются. Белые диоды можно встретить:

• в тактических и карманных фонариках;
• в автомобильных лампах;
• в бытовых лампочках различной мощности;
• в декоративной внутренней и наружной подсветке.

Разноцветные RGB и RGBW применяются не менее широко:

• в вывесках, дорожных знаках, светофорах, указателях, рекламе;
• в лампах освещения, с изменяемой цветовой температурой;
• в ландшафтном дизайне;
• в декоративной внутренней и наружной подсветке;
• в приборах индикации.

Примеры использования smd светодиодов

Вот вкратце и все о smd светодиодах. Теперь ты знаешь, почему они так называются, какими бывают и где используются.

В настоящее время светодиоды обрели широкую популярность. При этом четко разделить их по мощности, яркости свечения, области применения, форм-фактору и другим параметрам не представляется возможным, поскольку у каждого производителя своя классификация. Тем не менее, различные виды светодиодов можно объединить в классы по некоторым характерным признакам.

Устройство светодиода

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:

• анод, по которому подается положительная полуволна на кристалл;
• катод, по которому подается отрицательная полуволна на кристалл;
• отражатель;
• кристалл полупроводника;
• рассеиватель.

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:

• ширина запрещенной зоны должна быть близка к энергии кванта света;

• полупроводниковый кристалл должен иметь минимум дефектов.

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.

Индикаторные и осветительные LED

Чтобы яснее представлять, какие бывают светодиоды, их можно разделить на две большие группы: индикаторные и осветительные.

Индикаторные используются в основном в целях цветовой индикации, а также при подсветке дисплеев, приборных панелей и других приборов. То есть это светодиоды сравнительно небольшой мощности (до 0.2 Вт) с умеренной яркостью.

Осветительные LED используются при освещении помещений в составе светодиодных ламп и лент, в автомобильных фарах и везде, где требуется получить высокую интенсивность свечения. Мощность таких светодиодов может достигать десятков ватт.

Индикаторные LED

Индикаторные светодиоды, в свою очередь, можно разбить на несколько групп.

1. DIP светодиоды

Светодиоды этого типа представляют собой светоизлучающий кристалл в выводном корпусе, часто с выпуклой линзой. Типы корпусов: цилиндрические, диаметром 3, 4, 5, 8, 10… мм, и прямоугольные.

Выпускаются в очень широком диапазоне цветов – вплоть до ИК и УФ диапазонов. Могут быть как одноцветными, так и многоцветными (когда в одном корпусе сосредоточено несколько кристаллов разных цветов), — например, RGB.

Одним из недостатков этих LED можно отметить невысокий угол рассеяния светового потока: обычно не более 60⁰.

2. Super Flux “Piranha”

Конструктивно светодиоды Пиранья представляют собой сверхъяркие светодиоды в прямоугольном корпусе с четырьмя выводами. Такая конструкция позволяет надежно закрепить светодиод на плате.

Доступные разновидности: красный, зеленый, синий и три белых (различаются температурой свечения). Выпускаются в корпусах с линзой (3 и 5 мм) и без нее. Угол рассеяния варьируется в пределах от 40⁰ до 120⁰.

Область применения Piranha – подсветка автомобильных приборов, дневных ходовых огней, рекламных вывесок и т.д.

3. Straw Hat

Наряду с Piranha, большим углом рассеяния светового потока обладают светодиоды типа Straw Hat («соломенная шляпа»). Внешне они напоминают обычные цилиндрические двухвыводныне LED, но с меньшей высотой и увеличенным радиусом линзы, за что и получили свое название.

Излучающий кристалл в этих светодиодах расположен ближе к передней стенке линзы (не забудьте почитать про назначение линзы для светодиода), благодаря чему достигается угол рассеяния порядка 100-140⁰.

Выпускаются красные, синие, зеленые, желтые и белые LED. Благодаря способности создавать ненаправленное излучение, могут использоваться в декоративных целях, в качестве замены ламп аварийной тревоги и других местах, где требуется равномерная подсветка с низким энергопотреблением.

4. SMD светодиоды

Кроме выводных LED, выпускаются светодиоды типа SMD. Сюда следует отнести сверхъяркие цветные и белые светодиоды мощностью около 0.1 Вт в корпусе для поверхностного монтажа. Размеры корпусов обычно стандартные для любых элементов типа SMD: 0603, 0805, 1210 и т.д., где маркировка обозначает длину и ширину в сотых долях дюйма или в миллиметрах. При этом существуют как разновидности с выпуклой линзой, так и без нее.

Благодаря простоте монтажа, на основе этих LED выпускаются светодиодные ленты. Например, широкую известность в этой области приобрел светодиод Cree SMD 3528.

Осветительные LED

Эти светодиоды применяются при освещении помещений и улиц в составе фонарей, автомобильных фар, светодиодных лент и т. д. В связи с этим обладают большой мощностью, высокой интенсивностью излучения, и выпускаются только в белом цвете в корпусах для поверхностного монтажа.

Обычно производятся две разновидности, различающиеся цветовой температурой: cool white (холодный белый) и warm white (теплый белый).

Поскольку кристаллов, излучающих белый свет, в природе не существует, при производстве осветительных светодиодов прибегают к различным технологиям смешения трех базовых цветов (RGB). От способа их сложения зависит цветовая температура получаемого белого света.

Одним из способов получения белого свечения является покрытие излучающего кристалла тремя слоями люминофора, причем каждый слой отвечает за свой базовый цвет. Другой метод состоит в нанесении двух слоев люминофора на кристалл голубого цвета.

1. Осветительные SMD LED

Большинство осветительных светодиодов также выпускаются в корпусах SMD. В отличие от индикаторных, характеризуются большей мощностью и производятся только в белом цвете.

Стоит отметить, что некоторые осветительные LED небольшой мощности, например упомянутые выше SMD 3528, могут использоваться в качестве индикаторных, поэтому здесь разделение на типы довольно условное.

Основная область применения SMD – светодиодные ленты и лампы, переносные фонари, фары автотранспорта. При этом они дают довольно направленное излучение (порядка 100⁰-130⁰), поэтому при освещении больших территорий приходится использовать большое количество этих LED для равномерной засветки площади.

Конструктивно осветительные SMD представляют собой покрытый люминофором излучающий кристалл на теплоотводящей подложке, обычно медной или алюминиевой. Встречаются как разновидности с линзой, так и без нее.

2. COB светодиоды

Большое распространение получили светодиоды типа COB (Chip On Board, чип на плате). По сути, это интеграция большого количества (обычно несколько десятков) кристаллов SMD в одном корпусе, которые потом покрываются люминофором.

На картинке вверху показаны для сравнения Cree SMD 5050 (слева) и COB – матрица из 36 чипов (справа).

COB используются только для освещения. Их световой поток на порядок больше, чем у одиночных SMD. Однако следует учесть, что эти светодиоды не подойдут для создания узконаправленного излучения ввиду большого угла рассеяния светового потока. При этом создать абсолютно ненаправленное излучение тоже не получится – угол рассеяния светодиодов менее 180⁰.

Замечено, что некоторым людям неприятен спектр свечения светодиодов типа SMD или COB. Кроме того, недостаточное количество светодиодов при засветке больших площадей приводит к тому, что освещенность носит дискретный характер, то есть сильно освещенные участки чередуются со слабо освещенными. Это нужно учитывать при выборе осветительных LED.

3. Filament LED

Этот тип светодиодов также используется пока только для освещения. Широкое распространение получили в качестве декоративной подсветки помещений. Спектр свечения, в отличие от SMD и COB, гораздо приятнее человеческому глазу и напоминает свет лампы накаливания. При этом сохраняются все присущие LED достоинства: низкое энергопотребление и долгий срок службы.

В этом ролике демонстрируется сравнение декоративной лампы накаливания мощностью 40 Вт и лампы Filament на 4 Вт:

Здесь видно, что при мощности в 10 раз меньше, световой поток, отдаваемый лампой Filament, в 3-4 раза больше.

В то же время КПД Filament даже выше, чем у тех же SMD, — при одинаковой мощности первые позволяют получить большую освещенность. Это достигается за счет технологии COG (Chip On Glass, чип на стекле), при которой светоизлучающие кристаллы устанавливаются на стеклянную подложку, а затем покрываются люминофором.

Сама подложка имеет цилиндрическую форму, что позволяет получить угол рассеяния светового потока 360⁰. То есть такие LED очень хороши при создании ненаправленного излучения.

Лазерные диоды

И напоследок еще об одном типе, который нельзя отнести ни к индикаторным, ни к осветительным LED, – лазерный диод. Собственно, светодиодом его можно считать с натяжкой, поскольку по технологии производства он не имеет ничего общего с обычными LED.

Лазерные диоды представляют собой особым образом обработанные полупроводниковые кристаллы, которые при подаче напряжения генерируют очень узкий пучок света. При этом образцы нового поколения позволяют получить угол расхождения луча в пределах 5-10⁰. Встречаются как модели, работающие в видимом диапазоне, так и вне его (УФ и ИК).

Широкое применение эти диоды нашли в лазерных указках, целеуказателях, DVD-приводах, оптических компьютерных мышах, линиях оптоволоконной связи.

Основные характеристики светодиодов:

Величина тока потребления светодиода

Как правило, для обычных светодиодов предусмотрена сила тока величиной 0,02А. Однако бывают светодиоды, рассчитанные на 0,08А. К таким светодиодам относят более мощные приборы, в устройстве которых задействованы четыре кристалла. Они располагаются в одном корпусе. Так как каждый из кристаллов потребляет по 0,02А, в сумме один прибор будет потреблять 0,08А.

Стабильность работы светодиодных приборов зависит от величины тока. Даже незначительное увеличение силы тока способствует снижению интенсивности излучения (старению) кристалла и увеличению цветовой температуры. Это в конечном результате приводит к тому, что светодиоды начинают отливать синим цветом и преждевременно выходят из строя. А если показатель силы тока увеличивается существенно, светодиод сразу перегорает.

Чтобы ограничить потребляемый ток, в конструкциях LED-ламп и светильников предусмотрены стабилизаторы тока для светодиодов (драйверы). Они преобразуют ток, доводя его до нужной светодиодам величины. В случае, когда требуется подключить отдельный светодиод к сети, нужно использовать токоограничительные резисторы. Расчет сопротивления резистора для светодиода выполняют с учетом его конкретных характеристик.

Полезный совет! Чтобы правильно подобрать резистор, можно воспользоваться калькулятором расчета резистора для светодиода, размещенным в сети интернет.

Эффективность (светоотдача).

Отношение светового потока к потребляемой мощности (Лм/Вт). Это та величина, которая в первую очередь попадает во внимание специалистов, потому что именно по эффективности определяется применимость светодиодов для систем освещения. Для сравнения:

• лампочка накаливания 8-12 Лм/Вт;
• люминесцентные (энергосберегающие) лампы 30-40 Лм/Вт;
• современные светодиоды 120-140 Лм/Вт;
• газоразрядные лампы (ДРЛ) 50-60 Лм/Вт.

Показатели очень хорошие, что позволяет успешно конкурировать с люминесцентными, натриевыми, галогеновыми лампами. Более того, светодиоды уже выигрывают по этому показателю у газоразрядных ламп, т.к. весь световой поток у них идет в одну полуплоскость, поэтому не требуются разного рода отражатели.

Цветовая температура.

Шкала световых температур

Цветовая температура используемых светодиодов: 2500 Кельвинов- 9500 Кельвинов.

2500-3000 Кельвинов: теплый белый свет. (warm white или сокращенно WW) Он ближе к лампам накаливания.
4000-5000 Кельвинов: нейтральный белый свет.( white neutral или сокращенно NW)
6500-9500 Кельвинов: холодный белый свет. (cold white или сокращенно CW)

По источникам независимых исследований, именно нейтральный белый свет является наиболее комфортным для офисной работы, и в нем предметы становятся наиболее четкими.Нашей компание используются светодиоды с нейтральным светом .Кроме того, в осветительных приборах мы используем цветные светодиоды (основные цвета : красный, синий, зеленый, желтый) и светодиоды RGB(полноцветный светодиод).

Мощность светодиодов.

Малой мощности: до 0,5 Вт (20-60 мА).

Маломощные индикаторные светодиоды

Маломощные smd (slt) светодиоды

Средней мощности: 0,5-3 Вт (100-700 мА).

Светодиоды SEOULSEMICONDUCTOR, Корея, 0,5 Вт (150 мА)

Светодиоды Epistar , Тайвань, 1 Вт , 300 мА

Светодиоды NICHIA, Япония, 1 Вт, 300 мА

 

Большой мощности: более 3-х Вт (1000 мА и более).

Рис.9 Сверхмощный светодиод 20W

Угол свечения.

Как правило 120-140 градусов, в индикаторных 15-45 градусов.

Деградация (ресурс) светодиодов.

Очень важный показатель. Многие производители декларируют около 100 тысяч часов и даже более. Какие факторы оказывают влияние на ресурс светодиодов? В первую очередь это токовая деградация. Если через диод пропустить силу тока большую, чем та, на которую он рассчитан, то наступает быстрая деградация. Как правило: в пределах первых 1000 часов. Этим пользуются недобросовестные производители.

Следующий фактор – температурная деградация. Светодиод в процессе работы нагревается. И, если не отводить тепло, то диод быстро потускнеет. Для отвода тепла применяется много конструкторских решений. В наших светильниках применяется плата с алюминиевой подложкой. Подложка в свою очередь имеет механический контакт с корпусом светильника, что дополнительно отводит тепло. Главное: в точке пайки светодиода соблюдать температурный режим не более 65 градусов Цельсия. В наших светильниках это достигается. Соответственно, находясь в рабочем режиме, ресурс диодов в предлагаемых светильниках составляет декларируемые 40-50 тысяч часов.

Угол рассеивания.

Ну последнее, на что стоит обратить внимание – угол рассеивания. Большинство диодов выпускается с углом рассеивания в 120 градусов. Но это не конечная цифра. Разброс углов начинается от 15 и заканчивается 360 градусами ( к примеру филаментные ).

Здесь Вам стоит определиться опять же, что хотите получить. Узконаправленный свет или рассеянный по всей комнате. Для комнаты подойдет и 120 градусов, но лучше применить линзы, чтобы увеличить угол.

Для узконаправленного луча с лихвой хватит диодов с рассеивание в 40 градусов.

Есть еще несколько характеристик светодиодов. Но они более интересны для промышленного производства. А нам, простым обывателям, с лихвой хватает этих.

Я могу понять, что для кого-то эту информацию тяжело понять, но это только первое время. Если Вы один раз разберетесь, то в дальнейшем никаких трудностей правильно выбрать светодиод под свои нужды не составит труда. Во всяком случае я уже не «болею» муками подбора.

Срок эксплуатации

Этот параметр указывает на предполагаемую продолжительность работы LED кристалла. Индикационные светодиоды имеют продолжительность работы до 100 000 часов. Для сверхярких источников этот показатель составляет максимум 60 000 часов. Производители из Поднебесной зачастую завышают и этот показатель.

Для продления срока эксплуатации необходимо соблюдать температурный режим работы лед светильника. Другими словами, чем эффективней охлаждение, тем дольше живет источник.

Для наглядного ознакомления рекомендуется посмотреть видео. Автор видео всего за несколько минут лаконично описывает основные параметры и характеристики, которые действительно важны при выборе светодиодов.

Итоги:

При выборе светодиодов желательно отдавать предпочтение маркам, зарекомендовавших себя брендов. Стоимость данных источников света значительно выше традиционных, следовательно, срок окупаемости тоже увеличен.

Позарившись на дешевое изделие с плохими характеристиками, можно просто выбросить деньги на ветер и, напротив, светодиодные изделия от проверенных производителей обычно отрабатывают заявленный срок.

 

Источники: http://ledno.ru/svetodiody/vidy-led.html; https://colorleds.ru/stati/upravlenie-osveshcheniem-v-kvartire-s-telefona.html; https://arduinomaster.ru/datchiki-arduino/printsip-raboty-i-vidy-svetodiodov/

Светодиоды (led) — принцип работы, подключение и виды led

Содержание:

Светодиод – это устройство для освещение, ставшие крайне популярными в последнее десятилетие. Он имеет маленькие размеры, различный спектр света, долгий срок эксплуатации, минимальное энергопотребление. Любой светодиод состоит из кристалла, находящимся на токопроводящей основе. К этой пластинке подключены контакты и особая оптическая система. В английском языке светодиод называется LED и переводится как light emitting diode.

Для достижения большого пространства между линзой и кристаллом заполняется силиконом, а пластина является кроме базой, также теплоотводом. В статье подробно рассмотрены все особенности устройства светодиодов и принцип их работы. В качестве бонуса статья содержит два ролика и одну подробную статью.

Различные светодиоды.

Технические характеристики

Часто в руки попадает светодиод, параметры которого нам не известны. Подключение светодиода напрямую к источнику питания, при малейшем превышении номинального рабочего напряжения резко увеличит протекающий через него ток и выведет из строя. Обычно в таких случаях я “на глазок” включал последовательно с ним резистор 1- 1.5КОм (при низковольтном питании) и светодиод работал уже в довольно широких приделах напряжения. Но бывают случаи, когда необходимо более точно определить параметры неизвестного светодиода, а идентифицировать его марку нет возможности.

Светодиод это устройство с односторонней проводимостью на базе полупроводниковых кристаллов, преобразующее электрический ток в световое излучение в узком диапазоне спектра посредством диффузии электронно-дырочного перехода.

Более-менее точно определить параметры можно экспериментально, используя его стабилизирующие свойства по следующей методике, для ее реализации нам потребуется блок питания с плавной регулировкой выходного напряжения от нуля до 10-12в, тестер (мультиметр) и конечно же ваши очумелые ручки. Сразу оговорюсь что к лазерным светодиодам такая методика не подходит. Исследуемый светодиод в соответствии с полярностью (полярность можно прозвонить при помощи того-же мультиметра, но если ошибитесь – ничего страшного, светодиод просто не будет светится) подключают к регулируемому блоку питания включив последовательно в цепь резистор сопротивлением около 500 Ом.

Материал в тему: все о тепловом реле.

Постепенно увеличивают напряжение выдаваемое блоком питания, постоянно измеряя и сравнивая значения напряжения на выводах блока питания и ножках светодиода  т.е. до токоограничивающего резистора и после него. Удобнее когда блок питания имеет собственную индикацию выдаваемого напряжения или проводить измерения двумя вольтметрами.

Таблица использования светодиодных источников с разной температурой свечения.

Если светодиод не светится возможно он инфракрасный (посмотрите на него через объектив цифрового фотоаппарата). Запоминаем это напряжение, добавляем процентов 15-20 (в зависимости от яркости свечения), это будет приближенное номинальное напряжение исследуемого светодиода. Если напряжение на ножках светодиода и выходе блока питания изменяется пропорционально от нуля до максимального значения выдаваемого вашим блоком питания (но не более 20 вольт), при этом свечения светодиода не наблюдается, значит вероятнее всего светодиод неисправный или неправильно соблюдена полярность при подключении.

Светодиодные лампы.

Если напряжение на ножках светодиода и выходе блока питания изменяется пропорционально от нуля до почти максимального значения, но светодиод нормально светится начиная с 3-5 вольт, то скорее всего токоограничивающий резистор находится внутри светодиода. В этом случае лучше просто ограничить значение тока протекающего через светодиод не более 17-20 мА ориентируясь по яркости свечения светодиода.  Затем выставив на регулируемом блоке питания ноль вольт, подключаем к нему светодиод напрямую или для гарантии через резистор сопротивлением 10 ОМ, включив в цепь миллиамперметр (А) и плавно поднимаем напряжение до расcчитанного (измеренное плюс 10-15 %).

Таблица зависимости рабочего напряжения светодиода от его цвета.

[stextbox id=’info’]Ток протекающий через светодиод в этом состоянии будет в пределах его номинального значения. Определенные таким образом значения параметры светодиода будут довольно “грубыми” но ими уже можно руководствоваться при расчете или попытке подобрать по ним светодиод из справочника. Чтобы “набить руку и глаз :-))” можно сначала поэкспериментировать со светодиодами с известным характеристиками.[/stextbox]

Из чего состоит

Светодиод – диод с p-n переходом, испускающим определённый спектр при пропускании тока в прямом направлении. Цвет свечения  напрямую зависит от материалов полупроводника. Важно помнить, что в обратном направлении светодиод ток не пропускает. Светодиод начинает испускать фотоны при переходе напряжения через определённое значение, причём для каждого цвета оно разное – именно поэтому каждому цвету желательно подбирать свой резистор, иначе мы сталкиваемся с частой ошибкой – подключение RGB-светодиода через одинаковые резисторы, что приводит к неравномерной интенсивности цветов. Важно помнить, что хоть светодиоду и необходимо некоторое конкретное напряжение для работы, более важным параметром является ток.

У каждого типа светодиодов он также свой, но имеются средние значения. Например, для большинства 3 – и 5 мм светодиодов максимальный ток чуть превышает 20 мА. Однако, лучше держать его чуть пониже для увеличения ресурса – около 10 мА. Если Вам не нужно освещать им конкретную площадь, то будет достаточно и меньшего тока, например, для индикации события.

Красный, синий, желтый, зеленый светодиоды.

Плюсы светодиодов:

• Яркие точные цвета
• Большой срок службы (стремится к бесконечности)
• Большой КПД, малый нагрев
• Миниатюрный размер кристалла

Недостатки:

• Необходима схема ограничения тока (сложнее, чем ограничение напряжения для ламп накаливания)
• Неизбежное повреждение при превышении тока

Разновидности

Светодиоды отличаются по:

• Размеру внешнего корпуса
• Форме корпуса (круглые – самые популярные, но прямоугольные тоже часто встречаются)
• Типу линзы (направленная – прозрачная – или рассеивающая, матовая)

По форме светодиоды бывают самые разнообразные, но кристалл в основе не зависит от внешней оболочки. По размеру – от самых мелких светодиодов в корпусе типоразмера 0402 (0.5×1мм) до 100-ваттных светодиодов размером 50×50 мм. В зависимости от эффекта, ставят несколько кристаллов одного или разных цветов.

Одного – для повышения мощности, в таком случае они подключаются параллельно и в итоге фокусируются как единый светодиод. Разных – для многоцветного эффекта, например, для индикации (обычно синий-красный, встречается во многих аккумуляторных устройствах как индикатор работы/зарядки) или для отображения большого спектра цветов (как например RGB-светодиод, способный отобразить все возможные цвета – состоит из 3 кристаллов, красного (R), зелёного (G), синего (B)).

Параметры редких светодиодов представлены в таблице ниже:

Таблица основных параметров редких светодиодов.

[stextbox id=’info’]Светодиоды отличаются по длине волны – они способны точно испускать свет определённого спектра, в частности, ультрафиолетовыми светодиодами можно засвечивать фоторезист, а фидосветодиоды ускоряют рост растений. Граничное напряжение светодиода меняется от 1.9 В (инфракрасный) до 3.7 В (белый). Часто светодиоды собирают в последовательные сборки (например, в дешёвых светодиодных лентах), чтобы запитать, например, 5 2. 2-вольтовых светодиодов от 12В, потеряв всего 1В на резисторе.[/stextbox]

Если Вы используете светодиоды на большой ток, то, скорее всего, придётся ставить мощные резисторы, на которых всё равно будет теряться большое количество тепла. В таком случае можно использовать импульсные стабилизаторы тока (на основе DC-DC преобразователей или самодельные) – при большом КПД они обеспечивают большой ток и практически не греются! Светодиоды от 100 мА желательно подключать уже именно так. Понятно, что все светодиоды имеют различные характеристики, но как же найти нужный номинал резистора для правильного подключения светодиода? В этом деле нам поможет давно забытый школьный курс физики, а именно закон Ома.

Контакты светодиода

Для примера, возьмём светодиод с падением напряжения 2В, который нам нужно запитать от 3.3 В. Ток возьмём по среднему для всех «мелких» светодиодов значению – 20 мА, а чтобы не убить его раньше времени – 15 мА. Разница в напряжении между напряжением питания и напряжением, нужным для светодиода, составляет 3. 3 – 2 = 1.3 В. Вспоминаем закон Ома для замкнутой цепи – I = U/R. Преобразуем её относительно сопротивления . Поделим 1.3 на 0.015 (15мА в А), получим 86.7 Ом. Значение крайне нестандартное, поэтому возьмём ближайшее удобное (в большую сторону) – например, 100 Ом. Светодиоду по режиму будет только лучше, а ток изменится незначительно (13 мА) – невооружённым взглядом вы вряд ли заметите это изменение.

Как подключить

В сети часто встречаются схемы параллельного или последовательного подключения светодиодов, при которых задействуется всего 1 резистор. Схемы имеют право на жизнь, но лишь в случае низкого тока через светодиоды и только при условии одинаковости всех диодов. Допустим, несколько светодиодов для индикации какого-либо события так подключить можно, но только обычных (часто применяемых, 3 или 5мм диодов с током до 20мА и напряжением примерно 2-3В) и с маленьким током (около 5мА). Мощные светики по 200мА не рекомендуется подключать таким образом – во-первых, у них могут сильнее различаться характеристики из-за неравномерного нагрева кристаллов, а вот-вторых понадобится мощный резистор, который и то, возможно, будет греться.

Материал по теме: Что такое реле времени

Лучше подключать каждый светодиод со своим резистором, или использовать линейные или импульсные стабилизаторы тока. Из-за уникальности каждого светодиода при подключении большого их количества может накопиться довольно большое отклонение от теоретических расчётов параметров, чему будут результатом сгоревшие диоды. Одно из интересных применений светодиодов – засветка фоторезиста для изготовления печатных плат. Если вы когда-либо занимались этой технологией или хотя бы читали о ней, Вы явно видели засветку с помощью лампы, похожей на энергосберегающую. Такие лампы малоэффективны, на засветку требуется порядка 10 минут, а с помощью самодельного устройства из 100 УФ-светодиодов мы достигли времени засветки 35 секунд! Для регулировки тока применялось 5 линейных стабилизаторов тока на 200мА, итоговый ток – 10мА на светодиоде, что продлит срок службы!

Свечение красного светодиода.

Использование

Единственный недостаток технологии – высокая стоимость. На данный момент цена одного люмена, излученного светодиодом, в 100 раз выше, чем люмена излученного лампой накаливания. Впрочем производители прогнозируют снижение этого показателя в ближайшие годы в 10 раз. Светодиоды на основе фосфида и арсенида галлия, излучающие в желто-зеленой, желтой и красной областях спектра были разработаны еще в 60-х – 70-х годах прошлого столетия. Их применяли в световых индикаторах, табло, приборных панелях автомобилей и самолетов, рекламных экранах, различных системах визуализации информации. По светоотдаче светодиоды обогнали обычные лампы накаливания. По долговечности, надежности, безопасности они тоже их превзошли. Долго не существовало светодиодов синего, сине-зеленого и белого цвета.

Цвет светодиода зависит от ширины запрещенной зоны, в которой рекомбинируют электроны и дырки, то есть от материала полупроводника и легирующих примесей. Чем «синее» светодиод, тем выше энергия квантов, а значит, тем больше должна быть ширина запрещенной зоны. Голубые светодиоды удалось изготовить на основе полупроводников с большой шириной запрещенной зоны — карбида кремния, соединений элементов II и IV группы или нитридов элементов III группы. Однако, у светодиодов на основе SiC оказался слишком мал КПД и низок квантовый выход излучения (то есть число излученных квантов на одну рекомбинировавшую пару). У светодиодов на основе твердых растворов селенида цинка ZnSe квантовый выход был выше, но они перегревались из-за большого сопротивления и оказались недолговечны. Первый голубой светодиод удалось изготовить на основе пленок нитрида галлия на сапфировой(!) подложке.

Квантовый выход — это число излученных квантов света на одну рекомбинировавшую электронно-дырочную пару. Различают внутренний и внешний квантовый выход. Внутренний — в самом p-n-переходе, внешний — для прибора в целом (ведь свет может теряться «по дороге» — поглощаться, рассеиваться). Внутренний квантовый выход для хороших кристаллов с хорошим тепло-отводом достигает почти 100%, рекорд внешнего квантового выхода для красных светодиодов составляет 55%, а ддя синих — 35%. Внешний квантовый выход — одна из основных характеристик эффективности светодиода.

Белый света от светодиодов можно получить несколькими способами. Первый — смешать цвета по технологии RGB. На одной матрице плотно размещаются красные, голубые и зеленые светодиоды, излучение которых смешивается при помощи оптической системы, например линзы. В результате получается белый свет. Второй способ заключается в том, что на поверхность светодиода, излучающего в ультрафиолетовом диапазоне (есть и такие), наносится три люминофора, излучающих, соответственно, голубой, зеленый и красный свет. По принципу люминесцентной лампы. Третий способ – это когда желто-зеленый или зелено-красный люминофор наносятся на голубой светодиод. При этом два или три излучения смешиваются, образуя белый или близкий к белому свет.

Материал в тему: Что такое кондесатор

У каждого способа есть свои достоинства и недостатки. Технология RGB в принципе позволяет не только получить белый цвет, но и перемещаться по цветовой диаграмме при изменении тока через разные светодиоды. Получается целый осветительный комплекс, которым можно управлять вручную или посредством программы. Такие эффекты широко используются дизайнерами и производителями елочных гирлянд и аналогичных устройств. Кроме того, большое количество светодиодов в матрице обеспечивает высокий суммарный световой поток и большую осевую силу света. Недостатком системы является неодинаковый цвет в центре светового пятна и по краям. Кроме этого, из-за неравномерного отвода тепла с краев матрицы и из ее середины светодиоды нагреваются по-разному, и, соответственно, по-разному изменяется их цвет в процессе старения — суммарные цветовая температура и цвет «плывут» за время эксплуатации. Это неприятное явление достаточно сложно и дорого скомпенсировать.

Светодиоды.

Белые светодиоды с люминофорами существенно дешевле, чем светодиодные RGB-матрицы (в пересчете на единицу светового потока), и позволяют получить хороший белый цвет. Недостатки их: во-первых, у них меньше, чем у RGB-матриц, светоотдача из-за преобразования света в слое люминофора; во-вторых, достаточно трудно точно проконтролировать равномерность нанесения люминофора в технологическом процессе и, следовательно, цветовую температуру; и наконец в-третьих — люминофор тоже стареет, причем быстрее, чем сам светодиод.

[stextbox id=’info’]Промышленность выпускает как светодиоды с люминофором, так и RGB-матрицы — у них разные области применения. Обычный светодиод, применяемый для индикации, потребляет от 2 до 4 В постоянного напряжения при токе до 50 мА. Светодиод, который используется для освещения, потребляет такое же напряжение, но ток выше — от нескольких сотен мА до 1 А в проекте. В светодиодном модуле отдельные светодиоды могут быть включены последовательно и суммарное напряжение оказывается более высоким (обычно 12 или 24 В).[/stextbox]

Заключение

Более подробно о светодиодах можно прочитать в статье Устройство современных светодиодов. Если у вас остались вопросы, можно задать их в комментариях на сайте. Также в нашей группе ВК можно задавать вопросы и получать на них подробные ответы от профессионалов.

Чтобы подписаться на группу, вам необходимо будет перейти по следующей ссылке: https://vк.coм/еlеctroinfonеt. В завершение статьи хочу выразить благодарность источникам, откуда мы черпали информацию:

www.sestek.ru

www.howitworks.iknowit.ru

www.optogid.ru

www.voltiq.ru

 

Предыдущая

ПолупроводникиНесколько фактов о лазерном диоде

Следующая

ПолупроводникиЧем стабисторы отличаются от стабилитронов?

Светодиоды принцип действия, виды, характеристики, применение Источники…

Привет, Вы узнаете про светодиод, Разберем основные ее виды и особенности использования. Еще будет много подробных примеров и описаний. Для того чтобы лучше понимать что такое светодиод, светодиоды , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Источники питания радиоэлектронной аппаратуры.

светодиод — полупроводниковый излучающий прибор с одним или несколькими электрическими переходами, преобразующий электрическую энергию в энергию некогерентного светового (электромагнитного) излучения. Используются светодиоды в оптических линиях связи, модуляторах, индикаторных устройствах, в оптопарах и т.д.

В основе принципа действия полупроводниковых излучающих приборов лежит явление электролюминесценции, связанное с самопроизвольной излучательной рекомбинацией носителей заряда, инжектируемых через электронно-дырочный переход. Излучение обусловлено неравновесными носителями и сосредоточено в p-n переходе и прилегающих к нему областях.

Обозначение на схемах

История светодиодов

Олег Лосев, советский физик, обнаруживший электролюминесценцию в карбиде кремния

Первое известное сообщение об излучении света твердотельным диодом было сделано в 1907 году британским экспериментатором Генри Раундом[en] из Маркони Лабс[en]. Раунд впервые открыл и описал электролюминесценцию, обнаруженную им при изучении прохождения тока в паре металл — карбид кремния (карборунд, SiC), и отметил желтое, зеленое и оранжевое свечение на катоде.

Эти эксперименты были позже, независимо от Раунда, повторены в 1923 году О. В. Лосевым, который, экспериментируя в Нижегородской радиолаборатории с выпрямляющим контактом из пары карборунд — стальная проволока, обнаружил в точке контакта двух разнородных материалов слабое свечение — электролюминесценцию полупроводникового перехода (в то время понятия «полупроводниковый переход» еще не существовало). Это наблюдение было опубликовано, но тогда весомое значение этого наблюдения не было понято и потому не исследовалось в течение многих десятилетий.

Лосев показал, что электролюминесценция возникает вблизи спая материалов[2]. Теоретического объяснения явлению тогда не было. Лосев вполне оценил практическую значимость своего открытия, позволявшего создавать малогабаритные твердотельные (безвакуумные) источники света с очень низким напряжением питания (менее 10 В) и очень высоким быстродействием. Им были получены два авторских свидетельства на «Световое реле» (первое заявлено в феврале 1927 г.)[3]

В 1961 году Джеймс Роберт Байард (англ.)русск. и Гари Питтман из компании Texas Instruments открыли технологию инфракрасного светодиода на основе арсенида галлия (GaAs). После получения патента в 1962 году началось их промышленное производство.

Первый в мире практически применимый светодиод, работающий в световом (красном) диапазоне, разработал Ник Холоньяк в Университете Иллинойса для компании General Electric в 1962 году. Холоньяк, таким образом, считается «отцом современного светодиода». Его бывший студент, Джордж Крафорд (англ.)русск., изобрел первый в мире желтый светодиод и улучшил яркость красных и красно-оранжевых светодиодов в 10 раз в 1972 году. В 1976 году Т. Пирсол создал первый в мире высокоэффективный светодиод высокой яркости для телекоммуникационных применений, специально адаптированный к передаче данных по волоконно-оптическим линиям связи.

Светодиоды оставались чрезвычайно дорогими вплоть до 1968 года (около $200 за штуку), их практическое применение было ограничено. Исследования Жака Панкова в лаборатории RCA привели к промышленному производству светодиодов; в 1971 году им был получен первый синий светодиод[4][5]. Компания «Монсанто» была первой, организовавшей массовое производство светодиодов, работающих в диапазоне видимого света и применимых в индикаторах. Компании «Хьюллет-Паккард» удалось использовать светодиоды в своих ранних массовых карманных калькуляторах.

В середине 1970-х годов в ФТИ им. А. Ф. Иоффе группой под руководством Жореса Алферова были получены новые материалы — полупроводниковые гетероструктуры, в настоящее время применяемые для создания лазерных и светодиодов[6][7]. После этого началось серийное промышленное производство светодиодов. Открытие было удостоено Нобелевской премий в 2000 году[8]. В 1983 году компания Citizen Electronics первой разработала и начала производство SMD-светодиодов, назвав их CITILED[9].

В начале 1990-х Исама Акасаки, работавший вместе с Хироси Амано в университете Нагоя, а также Сюдзи Накамура, работавший в то время исследователем в японской корпорации «Nichia Chemical Industries», изобрели технологию изготовления синего светодиода (LED). За открытие дешевого синего светодиода в 2014 году им троим была присуждена Нобелевская премия по физике[10][11]. В 1993 году Nichia начала их промышленный выпуск, а в 1996 начала выпуск белых светодиодов[12].

Синий светодиод, в сочетании с зеленым и красным, дает белый свет с высокой энергетической эффективностью, что позволило в дальнейшем создать, среди прочего, светодиодные лампы и экраны со светодиодной подсветкой. В 2003 году, компания Citizen Electronics первой в мире произвела светодиодный модуль по запатентованной технологии непосредственно вмонтировав кристалл от Nichia на алюминиевую подложку с помощью диэлектрического клея по технологии Chip-On-Board.

Одно из главных требований, предъявляемых к индикаторным светодиодам, излучение света в видимом участке спектра. Поскольку в светодиодах основную роль играет межзонная излучательная рекомбинация, необходимая ширина запрещенной зоны полупроводников, вычисленная для энергии фотонов видимого диапазона, должна быть . Из-за относительно большой ширины запрещенной зоны исходного полупроводника ток рекомбинации через p-n переход оказывается большим по сравнению с током инжекции, особенно при малых прямых напряжениях, т. е. процесс рекомбинации в этом случае реализуется в основном в p-n переходе.

Рис.1

В качестве основных полупроводниковых материалов для светодиодов применяют арсенид галлия (GaAs), фосфид галлия (GaP), нитрид галлия (GaN), карбид кремния (SiC), трехкомпонентный твердый раствор фосфида и арсенида галлия (GaAs1-хPх), где , и ряд других двойных и многокомпонентных полупроводниковых соединений. Использование этих материалов позволяет создать светодиоды, работающие в инфракрасной, видимой и ультрафиолетовой областях спектра. КПД рассматриваемых приборов в основном зависит от внутреннего квантового выхода . Вероятность излучательной рекомбинации, определяющая внутренний квантовый выход, непосредственно связана с видом переходов в используемом полупроводнике. Внутренний квантовый выход в полупроводниках с прямыми переходами во много раз больше, чем с непрямыми.

Рис.2

Светодиоды на основе фосфида галлия. На Рис.1 (кривая x=1,0) представлена энергетическая диаграмма фосфида галлия, где минимумы энергии дна зоны проводимости при значении импульса соответствуют прямым переходам (ширина запрещенной зоны 2,8эВ), а при — непрямым переходам (=2,26 эВ) . Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Следовательно, чистый фосфид галлия GaP относится к непрямозонным полупроводникам. Его квантовый выход незначителен, однако он широко используется для изготовления светодиодов, так как обеспечивает излучение в видимой области спектра, что особенно важно в индикаторных устройствах. Для увеличения эффективности излучательных процессов в непрямозонных полупроводниках внедрением примесей создают рекомбинационные центры — ловушки. При введении разных элементов образуются два типа ловушек — донорного и акцепторного типов. Излучательные переходы между донорными и акцепторными ловушками позволяют получить генерацию света на различных длинах волн (Рис.2, 3).При внедрении цинка, кадмия и кислорода реализуется красное излучение; кадмия, серы и азота — зеленое (см. Рис.2). Физические явления, происходящие в фосфиде галлия при наличии примесей, можно проиллюстрировать на примере легирования азотом. Азот замещает атомы фосфора в узлах кристаллической решетки. Азот и фосфор являются элементами одной группы периодической системы и имеют одинаковую внешнюю, но различную внутреннюю электронные структуры. Различие в строении приводит к возникновению энергетического уровня ловушки вблизи з

Рис.3

оны проводимости. Инжектированные из n- в р-область светодиода электроны попадают сначала на уровни ловушек, которые затем захватывают дырку из валентной зоны. В результате фотоны рождаются с энергией, примерно равной разности между энергией запрещенной зоны и энергией связи атома ловушки.

Рис.4

Зависимость внутреннего квантового выхода (в относительных единицах) от энергии излучаемых фотонов представлена на Рис.3. Полный КПД светодиода, излучающего зеленый свет, приблизительно равен 0.1%, а излучающего красный — 3%. Хотя КПД светодиодов с зеленым свечением мал, они применяются в индикаторной технике, поскольку чувствительность глаза к зеленому свету в 30 раз выше, чем к красному.

Светодиоды на основе арсенида галлия. При увеличении фосфора в решетке арсенида галлия изменяется энергетическая диаграмма полупроводника (см. Рис.1). При х=0 энергетическая диаграмма (кривая1) соответствует чистому арсениду галлия, а при х=1 чистому фосфиду галлия. При возрастании x от 0 до 0,45 ширина запрещенной зоны соединения увеличивается с 1,42 эВ до 1,98 эВ (Рис.4). В светодиодах на основе таких материалов преобладают прямые переходы (кривая 1 на Рис.4). Дальнейшее увеличение содержания фосфора приводит к непрямым переходам (кривая 2 на Р

Рис.5

ис.4), что вызывает уменьшение вероятности межзонной излучательной рекомбинации и, соответственно, внутреннего квантового выхода (кривая 1 на Рис.5). Для увеличения эффективности излучательной рекомбинации в фосфид арсенида галлия, как и в фосфид галлия, вводят примеси. На Рис.5 проиллюстрировано влияние азота на величину внешней квантовой эффективности ф, представляющей собой отношение количества фотонов, излученных светодиодом, к количеству носителей заряда, протекающих через его электрический переход.

Параметры светодиодов

К основным параметрам светодиодов относятся:

Яркость В (кд/м2) характеризует свечение светодиода в избранном направлении. Для светодиодов яркость составляет несколько сот кд/м2.

Минимальное прямое рабочее, или пороговое, напряжение Uпор светодиода определяется энергией излучаемых фотонов; например, для зеленого света энергия фотона — 2,2 эВ, а пороговое напряжение — 2,4 эВ.

Максимальные рабочее напряжение ограничивается допустимой мощностью рассеяния светодиода. Оно в основном зависит от контактной разности потенциалов p-n перехода и сопротивления базы. Указанные напряжения определяют и соответствующие токи светодиода.

Постоянные времени нарастания и спада импульса излучения при импульсном возбуждении светодиодов характеризуют их инерционные свойства. Эти параметры измеряются между значениями яркости, составляющими 0,1 и 0,9 максимальной величины. Инерционность светодиодов определяется временем перезаряда емкости прибора. Для светодиодов значения постоянных времени составляют доли микросекунд.

КПД зависит от внутреннего квантового выхода и конструкции светодиодов. Потери энергии связаны с поглощением света в полупроводнике, контактах и элементах конструкции прибора.

И другие общеизвестные, такие как: мощность излучения, длительность волны излучаемого света или его цвет, наибольший прямой или импульсный ток, долговечность и др.

Основные характеристики светодиодов

К ним относятся:

—

Рис.6

Яркостная характеристика — это зависимость яркости В от тока через р-n переход. Вид яркостной характеристики зависит от структуры p-n перехода и области, в которой происходит преимущественная рекомбинация носителей заряда. При малых токах и, соответственно, малых напряжениях излучение отсутствует. Излучение возникает при напряжениях, соответствующих энергии излучаемого фотона, приблизительно равной ширине запрещенной зоны, т. е. при U=Uпор (напряжению Uпор соответствует Iпор на (Рис.6.б). Рост напряжения (тока) увеличивает число рекомбинирующих с излучением носителей, и яркость возрастает. При больших токах начинает сильно проявляться безизлучательная рекомбинация из-за заполнения ловушек, в результате уменьшается квантовый выход и наклон характеристики к оси абсцисс становится меньше.

— Спектральная характеристика – это зависимость интенсивности светового потока (яркости или мощности, или силы света, или энергии) от длины волны. На (Рис.6.а) представлены спектральные характеристики, дающие зависимость относительной мощности от длины волны излучения, для светодиода из фосфида галлия (кривая 1) и фосфида арсенида галлия (кривая 2).

— Вольт-амперная характеристика I=(U) – совпадает с ВАХ обычного диода.

Рис. 7

Конструктивное исполнение светодиодов

Конструктивное исполнение светодиодов сильно влияет на величину внешнего квантового выхода, а следовательно, и на КПД прибора. Из-за высокого коэффициента преломления исходного материала светодиодов большая часть света испытывает полное внутреннее отражение на границе раздела полупроводник-воздух. В результате из-за многократных переотражений от границ (Рис.7) происходит поглощение света в полупроводнике, и только малая часть энергии излучения выходит из светодиодов простейшей плоской конструкции.

Светодиоды на основе фосфида арсенида галлия (см. Рис.8) получают наращиванием эпитаксиального слоя 2 на подложку из арсенида галлия 1. Излучаемый в области p-n перехода З свет падает на подложку 1 и частично поглощается, что приводит к дополнительным потерям энергии. С улучшением технологии эпитаксиальный слой 2 выращивают на прозрачной подложке из фосфида галлия с отражающим нижним покрытием. Это увеличивает выход полезного излучения. Внешний квантовый выход можно также увеличить за счет применения более сложных конструкций светодиодов.

Рис.8

На рис 8 приведен пример устройства такого светодиода, у которого 3 n- база, выполненная в виде полусферического монокристалла полупроводника, 1 и 2 металлические контакты, 4 эмиттер. Для повышения КПД светодиодов применяют прозрачные полусферические покрытия из стекла и пластмасс с высоким показателем преломления, просветляющие (прозрачные для излучаемых волн) покрытия внешней поверхности прибора и т.д.

Для получения излучения различного цвета в индикаторах или индикаторных матрицах светодиоды могут иметь несколько переходов. П

Рис.9

ример двойной диодной структуры, которая излучает красный или зеленый свет, либо тот и другой одновременно, изображен на Рис.9, где 1 и 3 — контакты к р- областям диода, генерирующим соответственно красный и зеленый свет; 2 — n- GaP подложка; и 4 и 6 — р-n переходы; 5 — общий контакт.

На практике используются также приборы на основе чистого арсенида галлия с излучением инфракрасного света (=900 нм), нитрида галлия — голубого света и другие материалы, по своим характеристикам уступающие рассмотренным.

Высокая надежность, большой срок службы (долговечность), малые рабочие напряжения и потребляемые мощности, небольшие масса и габариты светодиодов обусловили их широкое применение в устройствах самого различного назначения.

Цвета и материалы

Обычные светодиоды изготавливаются из различных неорганических полупроводниковых материалов, в следующей таблице приведены доступные цвета с диапазоном длин волн, падение напряжения на диоде и материал:

	Цвет	длина волны (нм)	Напряжение (В)	Материал полупроводника
	Инфракрасный	λ > 760	ΔU < 1,9	Арсенид галлия (GaAs) Алюминия галлия арсенид (AlGaAs)
	Красный	610 < λ < 760	1,63 < ΔU < 2,03	Алюминия-галлия арсенид (AlGaAs) Галлия арсенид-фосфид (GaAsP) Алюминия-галлия-индия фосфид (AlGaInP) Галлия(III) фосфид (GaP)
	Оранжевый	590 < λ < 610	2,03 < ΔU < 2,10	Галлия фосфид-арсенид (GaAsP) Алюминия-галлия-индия фосфид (AlGaInP) Галлия(III) фосфид (GaP)
	Желтый	570 < λ < 590	2,10 < ΔU < 2,18	Галлия арсенид-фосфид (GaAsP) Алюминия-галлия-индия фосфид (AlGaInP) Галлия(III) фосфид (GaP)
	Зеленый	500 < λ < 570	1,9[15] < ΔU < 4,0	Индия-галлия нитрид (InGaN) / Галлия(III) нитрид (GaN) Галлия(III) фосфид (GaP) Алюминия-галлия-индия фосфид (AlGaInP) Алюминия-галлия фосфид (AlGaP)
	Синий	450 < λ < 500	2,48 < ΔU < 3,7	Селенид цинка (ZnSe) Индия-галлия нитрид (InGaN) Карбид кремния (SiC) в качестве субстрата Кремний (Si) в качестве субстрата — (в разработке)
	Фиолетовый	400 < λ < 450	2,76 < ΔU < 4,0	Индия-галлия нитрид (InGaN)
	Пурпурный	Смесь нескольких спектров	2,48 < ΔU < 3,7	Двойной: синий/красный диод, синий с красным люминофором, или белый с пурпурным пластиком
	Ультрафиолетовый	λ < 400	3,1 < ΔU < 4,4	Алмаз (235 нм)[16] Нитрид бора (215 нм)[17][18] Нитрид алюминия (AlN) (210 нм)[19] Нитрид алюминия-галлия (AlGaN) Нитрид алюминия-галлия-индия (AlGaInN) — (менее 210 нм)[20]
	Белый	Широкий спектр	ΔU ≈ 3,5	Сочетание трех светодиодов основных цветов (красный, синий, зеленый), либо люминофор, излучающий белый цвет под воздействием светодиода со спектром от синего до ультрафиолетового;

Органические светодиоды — OLED

Многослойные тонкопленочные структуры, изготовленные из органических соединений, которые эффективно излучают свет при пропускании через них электрического тока. Основное применение OLED находит при создании устройств отображения информации (дисплеев). Предполагается, что производство таких дисплеев будет гораздо дешевле, чем жидкокристаллических.

Главная проблема для OLED — время непрерывной работы, которое должно быть не меньше 15 тыс. часов. Одна из проблем, которая в настоящее время препятствует широкому распространению этой технологии, состоит в том, что «красный» OLED и «зеленый» OLED могут непрерывно работать на десятки тысяч часов дольше, чем «синий» OLED. Это визуально искажает изображение, причем время качественного показа неприемлемо для коммерчески жизнеспособного устройства. Хотя сегодня «синий» OLED все-таки добрался до отметки в 17,5 тыс. часов (2 года) непрерывной работы.

Дисплеи из органических светодиодов применяются в последних моделях сотовых телефонов, GPS-навигаторах, OLED-телевизорах, для создания приборов ночного видения.

Преимущества светодиодов

По сравнению с другими электрическими источниками света светодиоды имеют следующие отличия:

• Высокая световая отдача. Современные светодиоды сравнялись по этому параметру с натриевыми газоразрядными лампами[22] и металлогалогенными лампами, достигнув 146 люмен на ватт[23].
• Высокая механическая прочность, вибростойкость (отсутствие нити накаливания и иных чувствительных составляющих).
• Длительный срок службы (при достаточном охлаждении) — от 30 000 до 100 000 часов (при работе 8 часов в день — 34 года). Но и он не бесконечен — при длительной работе происходит «деградация» кристалла и постепенное падение яркости.
• Количество циклов включения-выключения не оказывают существенного влияния на срок службы светодиодов (в отличие от традиционных источников света — ламп накаливания, газоразрядных ламп).
• Спектр современных белых светодиодов бывает различным — от теплого белого = 2700 К до холодного белого = 6500 К.
• Спектральная чистота, достигаемая не фильтрами, а принципом устройства прибора.
• Отсутствие инерционности — включаются сразу на полную яркость, в то время как у ртутно-люминофорных (люминесцентных-экономичных) ламп время включения от 1 с до 1 мин, а яркость увеличивается от 30 % до 100 % за 3—10 минут, в зависимости от температуры окружающей среды.
• Различный угол излучения — от 15 до 180 градусов.
• Низкая стоимость индикаторных светодиодов.
• Безопасность — не требуются высокие напряжения, при должном охлаждении низкая температура светодиода, обычно не выше 60 °C.
• Нечувствительность к низким и очень низким температурам. Однако, высокие температуры противопоказаны светодиоду, как и любым полупроводникам.
• Экологичность — отсутствие ртути, фосфора и ультрафиолетового излучения в отличие от люминесцентных ламп.

Применение светодиодов

• В уличном, промышленном, бытовом освещении (в том числе светодиодная лента).
• В качестве индикаторов — как в виде одиночных светодиодов (например, индикатор включения на панели прибора), так и в виде цифрового или буквенно-цифрового табло (например, цифры на часах).
• Массив светодиодов используется в больших уличных экранах, в бегущих строках, информационных табло. Такие массивы часто называют светодиодными кластерами или просто кластерами.
• В оптопарах.
• Мощные светодиоды используются как источник света в фонарях, прожекторах, светофорах, лампах тормозного освещения в автомобилях.
• Светодиоды используются в качестве источников модулированного оптического излучения (передача сигнала по оптоволокну, пульты ДУ, светотелефоны, интернет[24]).
• В подсветке ЖК-экранов (мобильные телефоны, мониторы, телевизоры, планшеты и т. д.).
• В играх, игрушках, значках, USB-устройствах и прочее.
• В светодиодных дорожных знаках.
• В гибких ПВХ световых шнурах Дюралайт.
• В растениеводстве, так называемые фитолампы, оптимизированные под фотосинтез. В северных странах перспективная замена освещения в теплицах.

В общем, мой друг ты одолел чтение этой статьи об светодиод. Работы в переди у тебя будет много. Смело пишикоментарии, развивайся и счастье окажется в ваших руках. Надеюсь, что теперь ты понял что такое светодиод, светодиоды и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то нестесняся пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Источники питания радиоэлектронной аппаратуры

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 их соответствующий 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 могут использоваться, 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

Светодиод

: конструкция, типы и применение Светодиод

или светоизлучающий диод является наиболее часто используемым электронным компонентом в нашей повседневной жизни. Это источник света в виде маленькой лампочки, которую можно установить внутри цепи. Это особый тип диода, который преобразует электрическую энергию в энергию света. В отличие от лампы накаливания не нагревается, поэтому является энергосберегающим источником света. Он доступен в любом размере, форме и цвете.

Диоды с PN-переходом были изобретены задолго до появления светодиодов, и только в 1962 году Ник Холоньяк придумал специальный тип диода, который преобразует электрическую энергию в энергию света. Светодиод может генерировать как видимый, так и невидимый свет. Невидимый свет (инфракрасный) используется в пульте дистанционного управления. Он используется в каждом электронном оборудовании, которое используется для отображения любой информации. Он используется для освещения улиц, жилых домов и промышленных предприятий. В этой статье подробно объясняется принцип работы светодиода, его конструкция и т. д.

• Похожие сообщения: Что такое диод? Конструкция и работа диода PN-перехода

Содержание

Что такое светодиод – светоизлучающий диод?

Светодиод — это сокращенная форма слова «Светоизлучающий диод». Это тип диода, который излучает свет, когда через него проходит ток. Другими словами, светодиод — это особый тип диода, который преобразует электрическую энергию в световую. Это простой диод с PN-переходом, который излучает свет при прямом смещении. Соединение покрыто прозрачной эпоксидной смолой, чтобы направлять свет, исходящий от соединения, во всех направлениях.

Энергия света генерируется, когда электрон из более высокой энергетической зоны попадает в низкоэнергетическую зону и высвобождает энергию. Другими словами, когда носители заряда электроны и дырки объединяются, они выделяют световую энергию. Не каждый материал способен обладать таким свойством. Свойство материала преобразовывать электрическую энергию в энергию света называется электролюминанс. Вместо кремния и германия используются соединения арсенида галлия, фосфида галлия и фосфида индия в зависимости от цвета излучаемого света.

Символ и обозначения светодиодов

 

Символ светодиода

Символ светодиода напоминает любой обычный диод с PN-переходом, за исключением того, что он имеет стрелки, направленные наружу. рисунок ниже.

• Связанный пост: Различные типы символов диодов

Клеммы светодиода

9Светодиод 0002 представляет собой диод, поэтому он имеет две клеммы: анод (+) и катод (-). Две клеммы можно идентифицировать следующими способами.

• Более длинная ветвь — это анод, а более короткая ветвь — это катод.
• В случае прозрачного светодиода внутренняя меньшая пластина является анодом, а большая пластина — катодом.
• Катод имеет плоское пятно.
• С помощью мультиметра используется режим прозвонки. При прямом смещении светодиод будет светиться и запускать зуммер, а при обратном смещении — нет.

Конструкция светодиода

Щелкните изображение, чтобы увеличить его

Светодиод состоит из трех слоев: слоя полупроводника P-типа, слоя полупроводника N-типа и активной области. В N-слое больше всего электронов, а в P-слое больше дырок. Активная область имеет равное количество электронов и дырок, поэтому в ней нет основных носителей заряда. Активная область также известна как область истощения. Электроны и дырки рекомбинируют в этой области. Как мы знаем, свет излучается, когда электрон и дырка объединяются. Дырки — это отсутствие электронов. Они не двигаются. Электроны движутся и соединяются с дырками в р-слое. Следовательно, p-слой предназначен для удержания в верхней части светодиода.

Слой материала P-типа и материала N-типа накладывается друг на друга с активной областью между ними. Поскольку электронно-дырочная рекомбинация происходит в p-области, p-слой остается наверху, а анод осаждается на краю p-слоя, чтобы обеспечить максимальное излучение света. В то время как для катода золотая пленка осаждается на дне слоя N-типа, как показано на рисунке.

Физически светодиод рассчитан на максимальное излучение света. Поэтому место соединения покрыто прозрачной эпоксидной смолой с куполообразным верхом. Это помогает концентрировать свет, излучаемый соединением, в восходящем направлении. Тонкая золотая пленка в нижней части специально используется для отражения света назад в направлении вверх для повышения эффективности светодиодов. Поскольку большая часть света излучается из p-области, увеличение ее площади увеличивает интенсивность света. Форма эпоксидной смолы не обязательно должна быть полусферической. Он может быть треугольным или прямоугольным, в зависимости от применения.

Примечание: светодиод может излучать как видимый, так и невидимый свет. Невидимый свет в основном используется для связи в удаленных устройствах, таких как телевизоры, кондиционеры и т. д.

Что касается материала, используемого для светодиодов, в нем не используется кремний или германий. Полупроводники, такие как арсенид галлия (GaAs), фосфид арсенида галлия (GaAsP) или фосфид галлия (GaP), используются в светодиодах из-за их свойства излучать энергию в виде излучения, в то время как кремний и германий выделяют в виде тепла.

Похожие сообщения:

• Фотодиод: типы, конструкция, эксплуатация и применение
• Разница между фотодиодом и фототранзистором
• Разница между светодиодом и фотодиодом

Работа светодиода

Как и любой обычный диод, светодиод или светоизлучающий диод работает только при прямом смещении, т. е. анод находится под более высоким напряжением по сравнению с катодом, или анод подключен к положительной клемме и катод соединен с отрицательной клеммой батареи. В n-области преобладают электроны, а в p-области преобладают дырки. Кроме того, слой n-типа сильно легирован по сравнению со слоем p-типа 9.0009

Когда светодиод смещен в прямом направлении, приложенный потенциал начинает воздействовать на P-слой и N-слой. В результате область истощения или активный слой начинает сжиматься. Поэтому электроны из n-области и дырки из p-области начинают проходить через переход. Он начинает рекомбинировать в активной области или области истощения. При его рекомбинации электроны из верхней зоны (зоны проводимости) попадают в нижнюю энергетическую зону (валентную зону) за счет рекомбинации с дырками (отсутствие электрона в валентной зоне) и выделяют энергию в виде света. После нескольких рекомбинаций ширина обедненной области еще больше уменьшается, а интенсивность света увеличивается

Свойство преобразования электричества в энергию света называется электролюминанс. Такое свойство проявляют некоторые полупроводники, такие как GaAs, GaAsP, GaP. Кремний и германий не могут излучать свет, а только тепло. Почему эти материалы обладают таким свойством, можно понять, используя теорию энергетических зон твердых тел.

Как известно, электрон может приобретать энергию в дискретной форме. Энергию электрона можно определить по его положению в энергетических зонах. Когда электрон получает энергию, он переходит в более высокую энергетическую зону, а когда он возвращается в более низкую энергетическую зону, он высвобождает энергию. Валансная зона имеет меньшую энергию, чем зона проводимости. Разница между зоной проводимости и валентной зоной называется энергетической щелью. Согласно теории энергетических зон твердых тел, существует два типа полупроводниковых материалов, обладающих либо прямой запрещенной зоной, либо непрямой запрещенной зоной.

Похожие сообщения:

• Стабилитрон – символ, конструкция, схема, работа и применение
• Туннельный диод: конструкция, работа, преимущества и применение

Прямозонная запрещенная зона

Полупроводниковый материал с прямой запрещенной зоной излучает фотоны или световую энергию, когда высвобождает энергию. Две энергетические зоны, то есть зона проводимости и валентная зона, находятся прямо друг над другом вместе с импульсом «k» и графиком энергии. Когда электрон и дырка объединяются, они излучают энергию, равную энергетической щели между зоной проводимости и валентной зоной. Поэтому полупроводники, имеющие большую энергетическую щель, излучают свет высокой интенсивности. Различные материалы излучают разную длину волны, поэтому цвет света зависит от типа материала.

Такие полупроводниковые материалы используются в конструкции светодиодов. Примером полупроводников с прямой зоной являются арсенид алюминия-галлия (AlGaAs), фосфид мышьяка галлия (GaAsP), фосфид алюминия-галлия (AlGaP), нитрид индия-галлия (InGaN) и селенид цинка (ZnSe) и т. д.

Непрямая запрещенная зона

Полупроводниковые материалы с непрямой запрещенной зоной не излучают фотоны, когда электрон высвобождает энергию, а выделяет ее в виде тепла. В таких материалах зона проводимости не совпадает напрямую с валентной зоной, как показано на рисунке. Из-за разницы в импульсе «k» комбинация электрона и дырки высвобождает энергию только в виде тепла. Примерами таких материалов являются кремний, германий и др.

Цвет светодиода

Как мы знаем, на рынке доступны светодиоды разных цветов. А вот что собственно определяет цвет излучаемого света. Поскольку каждый цвет имеет разную длину волны, а полупроводниковый материал, который используется в светодиодах, излучает разные длины волн, они отвечают за генерацию разных цветов света. Каждый полупроводниковый материал имел разную область обеднения, имеющую разное прямое напряжение. Вот таблица для разных цветов светодиода

Похожие сообщения:

• Транзистор PNP – конструкция, работа и применение
• Транзистор NPN – конструкция, работа и применение

Цвет	Длина волны	Прямое напряжение	Полупроводниковый материал
Белый	395 – 530 нм	3 В – 5 В	Нитрид галлия-индия (GaInN) Селенид цинка (ZnSe)
Ультрафиолет	< 400 нм	3,1–4,4 В	Нитрид алюминия (AlN) Нитрид алюминия-галлия (AlGaN) Нитрид алюминия-галлия-индия (AlGaInN)
Фиолетовый	400 – 450 нм	2,8 – 4,0 В	Индий-галлиевый нитрид (InGaN)
Синий	450 – 500 нм	2,5–3,7 В	Индий-галлиевый нитрид (InGaN) Карбид кремния (SiC)
Зеленый	500 – 570 нм	1,9–4,0 В	Фосфид галлия (GaP) Фосфид алюминия-галлия-индия (AlGaInP) Алюминий фосфид галлия (AlGaP)
Желтый	570 – 590 нм	2,1–2,2 В	Фосфид арсенида галлия (GaAsP) Фосфид алюминия-галлия-индия (AlGaInP) Фосфид галлия (GaP)
Оранжевый	590 – 610 нм	2,0–2,1 В	Фосфид арсенида галлия (GaAsP) Фосфид алюминия-галлия-индия (AlGaInP) Фосфид галлия (GaP)
Красный	610 – 760 нм	1,6–2,0 В	Алюминий арсенид галлия (AlGaAs) Фосфид арсенида галлия (GaAsP) Фосфид алюминия-галлия-индия (AlGaInP) Фосфид галлия (GaP)
Инфракрасный	> 760 нм	< 1,9 В	Арсенид галлия (GaAs) Алюминий арсенид галлия (AlGaAs)

В следующей таблице показаны различные цвета свечения светодиодов, длина волны в нанометрах и прямое напряжение для смещения (падение напряжения).

Нажмите на изображение, чтобы увеличить его0240

Схема светодиодной рулетки с использованием таймера 555 и счетчика 4017

Здесь вы можете ознакомиться с другими интересными проектами и забавными уроками, основанными на светодиодах.

Смещение светоизлучающего диода

Подобно диоду с PN-переходом, светодиод работает при прямом смещении, но имеет относительно более высокое прямое напряжение. Анод в светодиоде подключен к положительному, а катод подключен к отрицательному выводу источника питания.

Если напряжение питания выше, чем прямое напряжение светодиода, переход светодиода пропускает ток и начинает излучать свет. Поскольку мы знаем, что прямой ток диода увеличивается экспоненциально, когда переход смещен в прямом направлении, этот огромный ток может необратимо повредить светодиод. Поэтому последовательно со светодиодом используется токоограничивающий резистор для ограничения тока. Повредить светодиод может не только ток, но и напряжение. Напряжение питания не должно быть выше прямого рабочего напряжения. В противном случае можно повредить соединение. Обычный светодиод имеет номинальное напряжение до 4,0 В и номинальный ток до 30 мА.

Похожие сообщения:

• Как рассчитать номинал резистора для светодиодов и различных типов светодиодных цепей
• Калькулятор резисторов для светодиодов – необходимое значение резистора для цепи светодиодов

Типы светодиодов

Светодиоды в основном делятся на два типа:

• Светодиоды видимого диапазона
• Невидимый светодиод

Светодиод видимого диапазона

Такие светодиоды излучают свет, видимый невооруженным глазом. Излучаемый свет имел длину волны в видимом спектре, то есть от 380 до 750 нм. Такие светодиоды используются для подсветки, оформления, индикации, индикации в цифровых устройствах и т. д.

Невидимый светодиод

Такой светодиод излучает свет с длиной волны в инфракрасном спектре, т.е. от 700 нм до 1 мм. Это невидимо невооруженным глазом. Поэтому он используется в охранной сигнализации, оптронах, пультах дистанционного управления и т. д.

RGB-светодиоды

Красно-зелено-синий светодиод представляет собой тип светодиода, состоящий не из одного, а из трех светодиодов. Его выходной цвет представляет собой комбинацию трех основных цветов: красного, зеленого и синего. Он дает не три разных цвета, а один цвет. Это позволяет ему генерировать свет разного цвета.

RGB LED имеет четыре клеммы, т.е. три из них используются для управления тремя цветами: красным, зеленым и синим, а четвертая клемма является общей клеммой, либо анодом, либо катодом.

Светодиод с интегральной схемой

Светодиоды такого типа имеют внутри интегральные схемы. Это интеллектуальные светодиоды, для которых не требуется отдельный контроллер. Он может менять цвет и мигать без внешнего контроллера. Кроме того, он занимает очень мало места, что позволяет сделать его более компактным.

Миниатюрные светодиоды

Миниатюрные или мини-светодиоды — это светодиоды небольшого размера, используемые для украшения и в качестве индикаторов во многих повседневных приложениях. Они изготавливаются различной формы и со встроенными проводами, подключенными к их клеммам. Они доступны в SMD (устройство для поверхностного монтажа) и сквозной технологии.

Мини-светодиоды не рассеивают тепло, поэтому не требуют радиаторов.

Похожие сообщения:

• Биполярный переходной транзистор (BJT) | Строительство, работа, типы и применение
• Типы транзисторов – BJT, FET, JFET, MOSFET, IGBT и специальные транзисторы

Мощные светодиоды

Такие светодиоды имеют очень мощный и яркий свет. Эти светодиоды доступны в различных размерах и выходной мощности. Используются для освещения в фонарике, факеле, уличном фонаре и т. д.

Рассеивают тепло благодаря своим большим размерам и мощности. Поэтому требуются большие радиаторы

Светодиодная лента

Как следует из названия, эти светодиоды сконструированы на гибкой полосе печатной платы. На оборотной стороне полоски был клей для приклеивания к любой поверхности. У него были разноцветные светодиоды, и при освещении они излучали разноцветные огни. Современные ленточные светодиоды поставляются с RGB-светодиодами, управляемыми с помощью беспроводного пульта дистанционного управления.

Адресный светодиод

Адресные светодиоды имеют встроенную микросхему, которая используется для управления отдельным светодиодом, подключенным к полосе светодиодов.

Светодиод со встроенным резистором

Эти светодиоды имеют встроенный токоограничивающий резистор. Поэтому его можно безопасно использовать, не беспокоясь о необходимых расчетах и ​​необходимости использования отдельного резистора. Он также занимает меньше места.

Инфракрасный светодиод

Такой светодиод излучает свет за пределами видимого спектра. Он невидим невооруженным глазом, но может быть обнаружен другими фотодиодами. Поэтому они используются в пульте дистанционного управления.

Ультрафиолетовый светодиод

Ультрафиолетовый или УФ-светодиод излучает ультрафиолетовый свет. УФ-излучение используется для специальных применений в научных, судебных и медицинских целях.

Выходные характеристики светодиода

Выходная характеристика светодиода показывает взаимосвязь между интенсивностью выходного света и входным прямым током I _F светодиода. Интенсивность света представлена ​​вертикальной осью, а прямой ток представлен горизонтальной осью.

Интенсивность света прямо пропорциональна прямому току, проходящему через светодиод. Интенсивность или мощность излучения линейно зависит от прямого тока. Интенсивность света также зависит от температуры. Увеличение температуры уменьшает интенсивность света светодиода, как показано на графике.

• Похожие сообщения: Типы диодов и их применение — 24 типа диодов

VI Характеристики светоизлучающего диода

Кривая характеристик VI показывает соотношение между напряжением и током через устройство. Горизонтальная ось или ось X представляет напряжение, а вертикальная ось или ось Y представляет ток.

Светодиод в основном работает как обычный диод, т.е. пропускает ток в прямом направлении, поэтому на графике показаны только прямое напряжение и прямой ток. Прямое напряжение светодиода больше, чем у обычного диода из-за наличия активного слоя. Сначала светодиод не пропускает ток и не излучает свет, пока прямое напряжение не превысит напряжение колена. Разный цвет светодиода имеет разное напряжение колена. Как только светодиод начинает проводить ток, ток начинает экспоненциально увеличиваться, что прямо пропорционально интенсивности излучаемого света.

Для изготовления светодиодов используются различные полупроводниковые материалы. Различные материалы излучают свет с различной длиной волны и интенсивностью. Длина волны излучения определяет прямое напряжение или напряжение колена светодиода. Инфракрасный (невидимый свет) имеет самую высокую длину волны, за которой следуют красный, оранжевый, желтый, зеленый, синий, фиолетовый и ультрафиолетовый цвета. Уменьшение длины волны увеличивает прямое напряжение указанного светодиода, как показано на графике.

Похожие сообщения:

• Туннельный диод: конструкция, работа, преимущества и применение
• Диод Шоттки: обозначение, конструкция, работа и применение

Преимущества и недостатки светодиодов

Преимущества

Вот некоторые преимущества светодиодов

• Рабочая температура светодиодов колеблется от 0°C до 70°C.
• Он очень жесткий и выдерживает любые механические удары и вибрации.
• Имеет более длительный срок службы.
• Требует очень малого напряжения и потребляет очень мало энергии.
• Могут быть изготовлены любой формы и размера. Таким образом, крошечные светодиоды можно использовать для создания цифровых и буквенно-цифровых дисплеев на дисплее с высокой плотностью.
• Оптопары, изготовленные из светодиодов, изолируют цепь электрически и соединяют ее оптически.
Светодиоды
• дешевле, экономичнее и очень надежны.
• Низкая температура не влияет на его работу.
• Время переключения светодиода очень быстрое, в диапазоне 1 нс. Поэтому они подходят для динамической работы.
• Его не нужно разогревать. Он мгновенно загорается.
• Он может излучать различные цвета света, такие как красный, зеленый, желтый, оранжевый, белый и т. д.
• Интенсивность или яркость светодиода можно легко контролировать, изменяя ток, протекающий через него.
• По сравнению с лампой накаливания светодиоды в 10-50 раз эффективнее.
• Не требует токсичных газов, вредных для окружающей среды.

Недостатки

Вот некоторые недостатки светодиода

• По сути это диод, т.е. однонаправленный. Подключение его с обратным смещением к источнику высокого напряжения может привести к его необратимому повреждению.
• При подключении к цепи необходимо учитывать полярность.
Светодиоды
• не так энергоэффективны, как ЖК-дисплеи. Поэтому его нельзя превратить в большой дисплей.
• Это дорого по сравнению с большим LCD.
• Он имеет более высокое рабочее напряжение и потребляет больше энергии по сравнению с обычным диодом с PN-переходом.
• Он не выдерживает скачков тока и напряжения. Это может привести к необратимому повреждению светодиода.
• Он также может перегреваться из-за мощности излучения. Это сокращает срок службы светодиода.
• Его эффективность падает из-за большого тока или тепла. Это явление также известно как падение эффективности.
• Его светлый цвет может измениться в течение срока службы.
• Имеет более высокую начальную стоимость по сравнению с лампой накаливания

Связанный пост: Применение диодов

Применение светодиодов

Светодиод имеет множество применений, вот некоторые из известных применений светодиодов

• Светодиоды в основном используются для освещения , промышленные и издательские) из-за его высокой светосилы и низкого энергопотребления.
Светодиоды
• используются в дорожных знаках и сигнальных огнях на каждом перекрестке и в уличных фонарях.
• Используются в качестве дисплея в цифровых часах, калькуляторах, цифровых мультиметрах и т. д.
• Они также используются в качестве индикатора в электрических и электронных схемах и устройствах для индикации подачи питания.
• В автомобилях они используются для освещения, а также индикаторов.
• Это действительно во вспышках цифровых камер и фонариках.
Светодиоды
• используются в медицинском оборудовании.
• Лазерные светодиоды, излучающие свет с одной длиной волны, используются в оптоволоконной связи.
• Цветные светодиоды используются в украшениях и игрушках.

Светодиоды, излучающие инфракрасный свет, не видны невооруженным глазом, поэтому они используются в специальных приложениях, таких как

• Инфракрасные светодиоды используются в системе дистанционного управления в телевизорах, кондиционерах и т. д.
• В системе охранной сигнализации используется для обнаружения присутствия любого человека, проходящего между ними.
• Используется в оптронах для гальванической развязки двух цепей путем их оптической связи. Он используется для защиты любой чувствительной цепи.

Related Posts:

• Диодные формулы и уравнения – Ценнер, Шокли и выпрямитель
• Как проверить диод с помощью цифрового и аналогового мультиметра? – 4 пути.
• Блокирующий диод и обходные диоды в распределительной коробке панели солнечных батарей
• Простая схема защиты от перенапряжения с использованием стабилитрона
• Тиристорно-кремниевый выпрямитель (SCR) – применение тиристоров
• MOSFET – работа, типы, работа, преимущества и применение
• БТИЗ? Конструкция, типы, работа и применение
• ГТО? Типы, конструкция, работа и применение
• ДИАК? Символ, конструкция, работа и применение
• СИМИСТОР? Символ, конструкция, работа и применение
• Разница между диодом и SCR (тиристором)
• Разница между диодом и транзистором
• Калькулятор стабилитрона и стабилизатора напряжения стабилитрона
• Простая схема защиты от перенапряжения с использованием стабилитрона

Обзор фотоэлектрических датчиков | Промышленная автоматизация OMRON

Что такое фотоэлектрический датчик?

Фотоэлектрические датчики обнаруживают объекты, изменения состояния поверхности и другие объекты с помощью различных оптических свойств.
Фотоэлектрический датчик состоит в основном из излучателя для излучения света и приемника для приема света. Когда излучаемый свет прерывается или отражается чувствительным объектом, количество света, попадающего на приемник, меняется. Приемник обнаруживает это изменение и преобразует его в электрический выходной сигнал. Источником света для большинства фотоэлектрических датчиков является инфракрасный или видимый свет (обычно красный или зеленый/синий для определения цветов).
Фотоэлектрические датчики классифицируются, как показано на рисунке ниже. (См. Классификацию.)

Датчики на пересечение луча

Датчики обратного отражения

Датчики диффузного отражения

• Верх страницы

Особенности

1. Большое расстояние обнаружения

A Датчик на пересечение луча, например, может обнаруживать объекты на расстоянии более 10 м. Это невозможно с магнитными, ультразвуковыми или другими методами зондирования.

2. Практически нет ограничений на объекты обнаружения

Эти датчики работают по тому принципу, что объект прерывает или отражает свет, поэтому они не ограничены, как датчики приближения, обнаружением металлических объектов. Это означает, что их можно использовать для обнаружения практически любого объекта, включая стекло, пластик, дерево и жидкость.

3. Быстрое время отклика

Время отклика чрезвычайно мало, поскольку свет распространяется с высокой скоростью, а датчик не выполняет никаких механических операций, поскольку все схемы состоят из электронных компонентов.

4. Высокое разрешение

Невероятно высокое разрешение, достигнутое с помощью этих датчиков, является результатом передовых технологий проектирования, которые позволили получить очень маленький точечный луч и уникальную оптическую систему для приема света. Эти разработки позволяют обнаруживать очень маленькие объекты, а также точно определять положение.

5. Бесконтактный датчик

Вероятность повреждения чувствительных объектов или датчиков мала, поскольку объекты можно обнаружить без физического контакта.
Это гарантирует долгие годы службы сенсора.

6. Идентификация цвета

Скорость, с которой объект отражает или поглощает свет, зависит как от длины волны излучаемого света, так и от цвета объекта. Это свойство можно использовать для обнаружения цветов.

7. Простая регулировка

Позиционирование луча на объекте упрощается с помощью моделей, излучающих видимый свет, потому что луч виден.

• Верх страницы

Принципы работы

(1) Свойства света

Прямолинейное распространение

Когда свет распространяется через воздух или воду, он всегда движется по прямой. Прорезь на внешней стороне датчика на пересечение луча, которая используется для обнаружения мелких объектов, является примером того, как этот принцип применяется на практике.

Преломление

Преломление — это явление отклонения света при прохождении под углом через границу между двумя средами с разными показателями преломления.

Отражение
(обычное отражение, обратное отражение, диффузное отражение)

Плоская поверхность, такая как стекло или зеркало, отражает свет под углом, равным углу падения света. Такой вид отражения называется регулярным отражением. Угловой куб использует этот принцип, располагая три плоские поверхности перпендикулярно друг другу. Свет, излучаемый в направлении углового куба, неоднократно распространяется в виде регулярных отражений, и отраженный свет в конечном итоге движется прямо обратно к излучаемому свету. Это называется ретрорефлексией.
Большинство ретрорефлекторов состоят из угловых кубов размером в несколько квадратных миллиметров, расположенных в точной конфигурации.
Матовые поверхности, такие как белая бумага, отражают свет во всех направлениях. Это рассеяние света называется диффузным отражением.
Этот принцип является методом измерения, используемым датчиками диффузного отражения.

Поляризация света

Свет можно представить в виде волны, которая колеблется горизонтально и вертикально. Фотоэлектрические датчики почти всегда используют светодиоды в качестве источника света. Свет, излучаемый светодиодами, колеблется в вертикальном и горизонтальном направлениях и называется неполяризованным светом. Существуют оптические фильтры, ограничивающие колебания неполяризованного света только в одном направлении. Они известны как поляризационные фильтры. Свет от светодиода, проходящий через поляризационный фильтр, колеблется только в одном направлении и называется поляризованным светом (точнее, линейно поляризованным светом). Поляризованный свет, колеблющийся в одном направлении (скажем, в вертикальном направлении), не может пройти через поляризационный фильтр, ограничивающий колебания в перпендикулярном направлении (например, в горизонтальном направлении). На этом принципе работает функция MSR для датчиков с обратным отражением и дополнительный фильтр защиты от взаимных помех для датчиков на пересечение луча.

(2) Источники света

Light Generation
Свет с импульсной модуляцией

В большинстве фотоэлектрических датчиков используется импульсно-модулированный свет, который в основном излучает свет повторно через фиксированные интервалы времени.
Они могут ощущать объекты, расположенные на некотором расстоянии, потому что с помощью этой системы легко устраняются эффекты внешних световых помех. В моделях, оснащенных защитой от взаимных помех, цикл излучения варьируется в заданном диапазоне для работы с когерентным светом и внешними световыми помехами.

Немодулированный свет

Немодулированный свет представляет собой непрерывный луч света определенной интенсивности, который используется с определенными типами датчиков, такими как датчики меток. Хотя эти датчики имеют быстрое время отклика, их недостатки включают короткое расстояние срабатывания и восприимчивость к внешним световым помехам.

Цвет и тип источника света

(3) Триангуляция

Датчики с регулируемым расстоянием обычно работают по принципу триангуляции. Этот принцип иллюстрируется следующей диаграммой.
Свет от Излучателя падает на чувствительный объект и отражает рассеянный свет. Линза приемника концентрирует отраженный свет на детекторе положения (полупроводник, который выдает сигнал в зависимости от того, где на него падает свет). Когда воспринимающий объект находится в точке А рядом с оптической системой, свет концентрируется в точке а на детекторе положения. Когда воспринимающий объект находится в точке B вдали от оптической системы, свет концентрируется в точке b на датчике положения.

• Верх страницы

Классификация

(1) Классификация по методу обнаружения

1. Датчики на пересечение луча
Метод обнаружения

Излучатель и приемник устанавливаются напротив друг друга, чтобы свет от излучателя мог попасть в приемник. Когда чувствительный объект, проходящий между излучателем и приемником, прерывает испускаемый свет, это уменьшает количество света, попадающего в приемник. Это уменьшение интенсивности света используется для обнаружения объекта.

Метод обнаружения идентичен методу обнаружения датчиков на пересечение луча, а некоторые модели, называемые щелевыми датчиками, имеют встроенные излучатель и приемник.

Особенности

Стабильная работа и большие расстояния срабатывания от нескольких сантиметров до нескольких десятков метров.

На положение обнаружения не влияют изменения траектории объекта обнаружения.

На работу не сильно влияет блеск, цвет или наклон объекта.

2. Датчики диффузного отражения

Метод обнаружения

Излучатель и приемник установлены в одном корпусе, и свет обычно не возвращается к приемнику. Когда свет от излучателя попадает на чувствительный объект, объект отражает свет, и он попадает в приемник, где интенсивность света увеличивается. Это увеличение интенсивности света используется для обнаружения объекта.

Особенности

Расстояние срабатывания от нескольких сантиметров до нескольких метров.

Простая регулировка монтажа.

Интенсивность отраженного света, стабильность работы и расстояние обнаружения зависят от условий (например, цвета и гладкости) на поверхности объекта обнаружения.

3. Датчики обратного отражения

Метод обнаружения

Излучатель и приемник установлены в одном корпусе, и свет от излучателя обычно отражается обратно в приемник с помощью отражателя, установленного на противоположной стороне. Когда чувствительный объект прерывает свет, он уменьшает количество получаемого света. Это уменьшение интенсивности света используется для обнаружения объекта.

Особенности

Расстояние срабатывания от нескольких сантиметров до нескольких метров.

Простая регулировка проводки и оптической оси (экономия труда).

На работу не сильно влияет цвет или угол расположения чувствительных объектов.

Свет проходит через чувствительный объект дважды, что делает эти датчики подходящими для обнаружения прозрачных объектов.

Чувствительные объекты с зеркальной отделкой могут не обнаруживаться, потому что количество света, отраженного обратно к приемнику от таких блестящих поверхностей, создает впечатление отсутствия воспринимающего объекта. Эту проблему можно решить с помощью функции MSR.

Рефлекторные Датчики имеют мертвую зону на близких расстояниях.

4. Датчики с регулировкой расстояния

Метод обнаружения

Приемник в датчике представляет собой двухкомпонентный фотодиод или датчик положения. Свет, отраженный от чувствительного объекта, концентрируется на приемнике. Зондирование основано на принципе триангуляции, который гласит, что место концентрации луча зависит от расстояния до воспринимаемого объекта.
На следующем рисунке показана система обнаружения, в которой используется двухкомпонентный фотодиод. Ближайший к корпусу конец фотодиода называется N (ближним) концом, а другой конец называется F (дальним) концом. Когда чувствительный объект достигает заданного положения, отраженный свет концентрируется посередине между концом N и концом F, и фотодиоды на обоих концах получают одинаковое количество света. Если воспринимающий объект находится ближе к датчику, то отраженный свет концентрируется на N-конце. И наоборот, отраженный свет концентрируется на F-конце, когда воспринимаемый объект находится дальше заданного расстояния. Датчик вычисляет разницу между интенсивностью света на концах N и F, чтобы определить положение чувствительного объекта.

Особенности

Работа не сильно зависит от состояния поверхности объекта или цвета.

Фон не сильно влияет на работу.

BGS (подавление фона) и FGS (подавление переднего плана)

При использовании E3Z-LS61, E3Z-LS66, E3Z-LS81 или E3Z-LS86 выберите функцию BGS или FGS для обнаружения объектов на конвейерной ленте.
Функция BGS предотвращает обнаружение любого фонового объекта (например, конвейера) за пределами установленного расстояния.
Функция FGS предотвращает обнаружение объектов, находящихся ближе, чем установленное расстояние, или объектов, отражающих меньше заданного количества света для приемника.
К объектам, отражающим меньше указанного количества света, относятся следующие:
(1) Объекты с чрезвычайно низким коэффициентом отражения и объекты темнее черной бумаги.
(2) Такие объекты, как зеркала, возвращающие практически весь свет обратно к Излучателю.
(3) Неровные, глянцевые поверхности, которые отражают много света, но рассеивают свет в случайных направлениях.
Отраженный свет может на мгновение вернуться к приемнику для элемента (3) из-за обнаружения движения объекта. В этом случае может потребоваться использование таймера задержки выключения или других средств для предотвращения дребезга.

Особенности

Могут обнаруживаться небольшие различия в высоте (BGS и FGS).

Эффекты восприятия цвета объекта сведены к минимуму (BGS и FGS).

Эффекты фоновых объектов сведены к минимуму (BGS).

Неровности объекта обнаружения могут повлиять на работу (BGS и FGS).

5. Датчики ограниченного отражения

Метод обнаружения

Так же, как и датчики с диффузным отражением, датчики с ограниченным отражением принимают свет, отраженный от чувствительного объекта, для его обнаружения. Оптическая система ограничивает область излучения и приема света, поэтому могут быть обнаружены только объекты, находящиеся на определенном расстоянии (область, в которой излучение и прием света перекрываются) от Датчика. На рисунке справа чувствительный объект в точке (A) может быть обнаружен, а объект в точке (B) — нет.

Пример

Особенности

Могут обнаруживаться небольшие различия в высоте.

Расстояние от Датчика может быть ограничено для обнаружения только объектов в определенной области.

На работу не сильно влияет распознавание цветов объекта.

На работу сильно влияет глянцевитость или наклон чувствительного объекта.

(2) Точки выбора методом обнаружения

Контрольные точки для датчиков пересечения луча и датчиков отраженного света

Объект обнаружения

(1) Размер и форма (вертикальная x горизонтальная x высота)
(2) Прозрачность (непрозрачная, полупрозрачная, прозрачная)
(3) Скорость V (м/с или единиц/мин)

Датчик

(1) Расстояние срабатывания (L)
(2) Ограничения по размеру и форме
    a) Датчик
    b) Световозвращатель (для световозвращающих датчиков)
(3) Необходимость установки рядом друг с другом
    a) Количество блоков
    b) Шаг установки
    c) Необходимость установки в шахматном порядке
(4) Ограничения по установке (под углом и т. д.)

Окружающая среда

(1) Температура окружающей среды
(2) Наличие брызг воды, масла или химикатов
(3) Прочее

Контрольные точки для датчиков диффузного отражения, датчиков с регулируемым расстоянием и датчиков ограниченного отражения

Объект обнаружения

(1) Размер и форма (вертикальная x горизонтальная x высота)
(2) Цвет
(3) Материал (сталь, нержавеющая сталь, дерево, бумага и т. д.)
(4) Состояние поверхности (текстурированная или глянцевая)
( 5) Скорость V (м/с или единиц/мин)

Датчик

(1) Расстояние срабатывания (расстояние до детали) (L)
(2) Ограничения по размеру и форме
(3) Необходимость установки вплотную друг к другу
    a) Количество единиц
    b) Монтажный шаг
(4) Ограничения по монтажу (наклон и т. д.)

Фон

Фон
(1) Цвет
(2) Материал (сталь, нержавеющая сталь, дерево, бумага и т. д.)
(3) Состояние поверхности (текстурированная, глянцевая и т. д.)

Окружающая среда

(1) Температура окружающей среды
(2) Наличие брызг воды, масла или химикатов
(3) Прочее

(3) Классификация по конфигурации

Фотоэлектрические датчики обычно состоят из излучателя, приемника, усилителя, контроллера и источника питания. Они классифицируются, как показано ниже, в зависимости от конфигурации компонентов.

1. Датчики с отдельными усилителями

Датчики на пересечение луча имеют отдельные излучатель и приемник, а датчики на отражение имеют встроенные излучатель и приемник. Усилитель и контроллер размещены в одном блоке усилителя.

Особенности

Компактный размер, поскольку интегрированный излучатель-приемник состоит просто из излучателя, приемника и оптической системы.

Чувствительность можно регулировать дистанционно, если излучатель и приемник установлены в узком пространстве.

Сигнальный провод от блока усилителя к излучателю и приемнику чувствителен к помехам.

Типовые модели (усилители): E3NC, E3C-LDA и E3C

2. Датчики встроенного усилителя

В эти датчики встроено все, кроме источника питания. (Датчики на пересечение луча делятся на излучатель, состоящий исключительно из излучателя, и приемник, состоящий из приемника, усилителя и контроллера.) Блок питания представляет собой автономный блок.

Особенности

Приемник, усилитель и контроллер интегрированы, что устраняет необходимость в проводке для слабого сигнала. Это делает датчик менее восприимчивым к шуму.

Требует меньше проводки, чем датчики с отдельными усилителями.

Хотя эти датчики, как правило, больше, чем датчики с отдельными усилителями, датчики с нерегулируемой чувствительностью такие же маленькие.