Светодиоды - типы, принцип работы

Какие светодиоды бывают, принцип работы, основные параметры

Светоизлучающие диоды (LED) - это твердотельные электронные устройства, способные генерировать свет, пропуская электричество через p-n переход, смещенный в прямом направлении. Представляет собой полупроводниковый диод, который производит свет одной или нескольких длин волн.

Полупроводник - это вещество, электропроводность которого может изменяться в результате изменения температуры, приложенных полей (электрических или магнитных), концентрации примесей (например, легирования) и т. д. Диод - это устройство, при котором электрический ток может проходить только в одном направлении.

Полезные статьи:

Что такое светодиодный ЧИП? Типы, описание, характристики

Производство светодиодов (LED), материалы, технологии

Все статьи

Типы светодиодов

LED (light emitting diode) - светоизлучающий диод

Светодиоды - это тип твердотельного освещения, в котором свет излучается из твердого объекта (например, блока полупроводниковых или органических слоев или материалов), а не из вакуумной или газовой трубки, что имеет место в традиционных лампах накаливания и люминесцентных лампах. И поскольку подавляющее большинство светодиодов используют неорганические полупроводники, аббревиатура LED обычно представляет собой светодиоды на основе неорганических полупроводников.

Диммерные переключатели

Светодиод доступен с диммерными переключателями, как и другие лампы. Диммер в обычных лампах накаливания работает хуже, чем диммер в светодиодных лампах. Поэтому рекомендуется заменить стандартные лампочки на светодиодные, поскольку они работают с минимальной мощностью, чем другие стандартные источники света.

Белый светодиод

Светодиод доступен в трех вариантах:

• холодный,
• теплый,
• светодиод дневного света. 

В большинстве домов используются лампы теплого белого цвета. Цвет светодиода дневного света, который имеет совершенно белый цвет с оттенком синего, в основном используется для выделения реального цвета.

Светодиодные трубки для освещения

Применяется для замены люминесцентных ламп, а в некоторых случаях может быть единственной заменой подвесного светильника. Другие конструкции требуют нового балласта и замены проводки. Он работает, предлагая серию светодиодных миниатюр по длине трубки и доступен в любых размерах.

SMD (СМД)

Он расширен как устройство для поверхностного монтажа и популярен в светодиодном освещении. Встроенные в лампочку SMD-чипы имеют дополнительную яркость, которая надежна в офисе и дома.

COB

COB означает «чип на плате», который представляет собой другое поколение светодиодов и предлагает более сильное количество света, чем SMD, и имеет доступную опцию, поскольку пользователь считает луч управляющего света. Он обеспечивает лучшее соотношение ватт к люмену, что означает, что он имеет высокую производительность.

Графеновый светодиод

Популярный канал BBC поручил эволюцию света использовать светодиодную нить накаливания с графеновым покрытием, отмеченную как самая доступная в конце 2015 года. Она дешевле стандартных ламп и претендует на снижение счетов за электроэнергию примерно на 10%. Использование графена было изобретено русским ученым, работавшим в Манчестерском университете. Битва уже началась и помогает найти инновационное применение прочным материалам.

Традиционные и неорганические светодиоды

Доступен традиционным методом со встроенным диодом и производится из неорганических компонентов. Наиболее широко применяемые светодиоды изготавливаются из составных полупроводников, таких как:

• фосфид арсенида галлия,
• арсенид галлия алюминия
• и многое другое. 

Цвет светодиодного света зависит от используемых материалов.

Эти светодиоды олицетворяются в виде небольшого светодиода, который подразумевается в панелях индикации с различным форматом светодиода и его типами. Его можно даже отнести к категории неорганических светодиодов, которые имеют различные стили светодиодов, такие как светодиоды для поверхностного монтажа, мигающие светодиоды, многоцветные и двухцветные светодиоды, которые могут работать от переменного напряжения, одноцветные светодиоды размером 5 мм, буквенно-цифровой светодиодный дисплей. Такие типы неорганических светодиодов очень распространены.

Яркие светодиоды

Светодиоды высокой интенсивности и светодиоды высокой яркости относятся к неорганическим светодиодам и начали их внедрение в приложения для освещения и украшения. 

Такой тип светодиодов в настоящее время становится обязательным, как и неорганические светодиоды, и имеет выходную мощность с максимальной световой энергией. Чтобы получить максимальное количество света на выходе, светодиоду необходимы управляемые уровни рассеиваемой мощности и тока. Светодиод может быть установлен на радиаторе для устранения нежелательного излучения тепла.

Говоря об эффективности, светодиоды являются значительной заменой многих традиционных осветительных приборов. В настоящее время широко применяется бытовое освещение с автоматизированной лампой. Он имеет большие преимущества с точки зрения факторов окружающей среды и эффективности по сравнению с КЛЛ, компактными люминесцентными лампами и лампами накаливания. 

Органический светодиод

Органический светодиод развернут с фундаментальной идеей светоизлучающих диодов. Как следует из названия, светодиод изготовлен из органических компонентов. Базовый светоизлучающий диод использует базовые неорганические полупроводники с различными уровнями примесей и излучает свет от специальных PN-переходов, которые являются фокусом света. Органический светодиодный дисплей изготавливается из тонких листов и создает зону рассеянного света.

В основном это тонкопленочный материал, который печатается на стеклянной подложке. Схема, выполненная из полупроводниковых компонентов, используется для передачи электрических зарядов на встроенные пиксели, которые заставляют светодиод светиться. Светодиодная технология постоянно растет вместе с уровнем ее эффективности и не имеет границ, которые можно было бы установить в любой области.

OLED

Некоторые светодиоды идут с органическими полупроводниками (небольшие молекулы или полимеры на основе углерода), а аббревиатура OLEDs обозначает эти светодиоды на основе органических полупроводников. Они очень похожи на светодиоды на основе неорганических полупроводников в том, что прохождение электрического тока через OLED генерирует возбужденное состояние, которое затем может излучать свет. Это основной компонент для телевизоров и мониторов нового поколения.

Светодиод включает в себя полупроводниковые материалы, легированные примесями, для получения p-n перехода, при этом электрический ток может прямолинейно течь в одном направлении от p-стороны (анод) к n-стороне (катод), однако не в обратном направлении. Светоизлучающий диод излучает свет, возбуждая электроны через запрещенную зону между зоной проводимости и валентной зоной дырок (полупроводниковый активный или светоизлучающий слой). Комбинация электрона и дырки может спонтанно генерировать фотон с определенной длиной волны или диапазоном длин волн. 

Основной элемент

Фотон - это квант электромагнитного излучения или частица, передающая свет. Перефразируя, свет переносится в пространстве фотонами. Цветовые вариации видимого света обычно определяются электромагнитным излучением или оптическими длинами волн. Длина волны света, излучаемого любым конкретным светодиодом, зависит от количества энергии, выделяющейся при рекомбинации электрона и дырки. Цвет света (длина волны), излучаемого светоизлучающим диодом, зависит от полупроводниковых материалов активных слоев светоизлучающего диода. Различные длины волн света могут быть созданы с использованием различных материалов путем изменения запрещенных зон полупроводниковых слоев и формирования активного слоя внутри p-n перехода.

Длина волны цвета светодиода

Светодиоды могут излучать свет в одном диапазоне длин волн, например, красный, янтарный, желтый, зеленый, синий и т.д., Или могут быть изготовлены для излучения белого света с использованием широкого спектра различных типов полупроводниковых материалов, таких как, например, полупроводниковые материалы III-V и II-Vполупроводниковые материалы. Одноцветные светодиоды могут быть изготовлены с применением комбинации светодиода, излучающего свет первой длины волны, и материала преобразования света, например люминофора, который поглощает часть или всю первую излучаемую длину волны и повторно излучает ее на второй длине волны.

Светоизлучающие диоды могут работать индивидуально или в любых комбинациях, необязательно в сочетании с одним или несколькими люминесцентными материалами (например, люминофорами или сцинтилляторами) и/или фильтрами, излучая свет любого предпочтительного воспринимаемого цвета (включая белый).

Люминофор - это люминесцентный материал, который производит чувствительное излучение (в первую очередь видимый свет) при возбуждении источником возбуждающего излучения. Чаще всего реагирующее излучение имеет длину волны, которая обычно больше длины волны возбуждающего излучения. Включение люминесцентных материалов в светодиодные устройства в основном достигается путем включения люминесцентных материалов в прозрачный пластиковый инкапсулирующий материал (например, материал на основе эпоксидной смолы или силикона). Синий светодиод (обычно 460 нм), окруженный желтым люминофором, например, легированным церием иттриево-алюминиевым гранатом (YAG: Ce), который излучает свет в широкой полосе с центром в 550 нм.

Сочетание номинально желтого светового излучения от люминофора и синего света от светодиода излучает источник света, который имеет типично белый внешний вид. Опять же, светодиод, который излучает ультрафиолет (<400 нм), можно использовать для возбуждения смеси красных, зеленых и синих люминофоров.

В типичном светодиодном светильнике белого света монохроматический светодиод инкапсулирован прозрачным материалом, который содержит подходящие компенсационные люминофоры. Длина волны света, излучаемого компенсационным люминофором, дополняет длину волны света, излучаемого светодиодом, чтобы гарантировать, что длины волн от светодиода и компенсационного люминофора смешиваются вместе для генерации белого света.

Светодиодные чипы - умное устройство света

Светодиодные чипы обычно заключены в пакет, который извлекает свет и защищает чип от повреждения. Широко признанный и коммерчески доступный "светодиод", который продается (например) в магазинах электроники, обычно представляет собой "упакованное" устройство, состоящее из множества деталей. Вообще говоря, светодиодный пакет состоит из подложки, светодиодной матрицы (альтернативно называемой светодиодной микросхемой), предварительно установленной на подложке, и инкапсуляции, сформированной на подложке для покрытия светодиодной матрицы. Инкапсулятор инкапсулирует светодиодный чип и часть носителя для защиты светодиодного чипа и выставляет часть носителя за пределы инкапсулятора, чтобы дать функцию внешних электродов. Линза обычно крепится к светодиодной упаковке с помощью инкапсулята для направления или изменения природы света, излучаемого светодиодом. Светодиодная матрица часто монтируется на большую подложку для рассеивания тепла и упаковки. Подложка может содержать другие схемы, такие как устройство пассивного электростатического разряда. Пакет дополнительно имеет прочные анодные и катодные выводы для пайки к печатной плате.

Теплоотвод светодиодов

Как известно, светодиод также производит нежелательный побочный продукт - тепло во время генерации света. Когда электрон встречается с дыркой, он попадает на более низкий энергетический уровень и производит энергию в виде света (фотон, лучистая энергия) и тепла (фонон, тепловая энергия). Производительность светодиода чрезвычайно чувствительна к рабочей температуре, что делает тепловое управление жизненно важной задачей в дизайне светодиодного пакета. Тепло должно систематически рассеиваться, и / или мощность электропривода (и, следовательно, светоотдача) должна поддерживаться достаточно низкой, чтобы предотвратить дисфункцию или быстрое ухудшение производительности и / или поддерживать эффективность работы.

Существует целый ряд методов, которые были использованы для рассеивания тепла от упакованных электронных устройств. Типичные системы охлаждения могут включать в себя применение теплоотвода и / или вентилятора для охлаждения точки соединения. Теплоотвод - это компонент или узел, который подает генерируемое тепло в низкотемпературную среду. Радиаторы обеспечивают путь для поглощения тепла, производимого светодиодами, и для рассеивания тепла непосредственно или излучением в окружающую среду.

Напряжение для светодиодов

Светодиод переменного тока - это светодиод, который работает непосредственно от линейного напряжения переменного тока, в то время как светодиод постоянного тока использует драйвер для преобразования линейного напряжения в постоянный ток (DC).

Светодиоды - это низковольтные устройства, управляемые током, что означает, что они обычно работают с постоянным током. Светодиоды получают входной сигнал или модулированный прямоугольный входной сигнал для того, чтобы постоянный ток протекал через светодиодные чипы для генерации света. Поэтому интеграция светодиодов в жилые и коммерческие системы освещения (которые традиционно подключаются для приема переменного тока) требует подключения светодиода к цепи "драйвера", которая преобразует переменный ток в подходящий постоянный ток для светодиода.

Светодиодные драйверы можно регулировать освещенность светодиодов, контролируя количество тока, протекающего через светодиоды. Кроме того, светодиодные приводные цепи также могут преобразовывать мощность с одного уровня напряжения на другой.

Как управлять светодиодами?

Светодиоды управляются током, а не напряжением. Когда подается прямое напряжение и ток начинает течь, электроны в отрицательной области прыгают через зону истощения (переход), чтобы рекомбинировать с дырками в положительной области. Каждая рекомбинация электрона и дырки высвобождает квант электромагнитной энергии в виде света. Выход люмена (яркость) светодиода пропорционален прямому току, проходящему через светодиод. Чем выше ток привода, тем ярче светодиод. В то же время, однако, большее количество тепла генерируется на полупроводниковом переходе. Это связано с тем, что светодиоды преобразуют только около 50% энергии в свет, а оставшаяся часть энергии выделяется в виде тепла.

При превышении максимально допустимой температуры перехода высокий тепловой поток может привести к необратимому повреждению светодиода, а также к тепловому падению, которое является уменьшением оптической мощности при повышении температуры. При работе с более высокой плотностью тока высокие кинетические электроны могут генерироваться эффектом шнека. Нерадиационный процесс рекомбинации шнека может привести к снижению эффективности светодиода, известному как снижение эффективности или плотности тока. Таким образом, светодиоды не могут быть чрезмерно управляемыми, потому что это не только вызовет как тепловое падение, так и падение плотности тока, но и резко сократит срок службы светодиода.