02.10.2022

Светодиоды

Светодиод — это полупроводниковый прибор, основанный на р-n-переходе и предназначенный для излучения света в видимом диапазоне. Как известно, р-n-переход представляет собой соединенные вместе две части из полупроводников с различными типами проводимости. Проводимостью типа p обладают полупроводники с избытком положительных зарядов (дырок), а n — с избытком отрицательных зарядов (электронов). При подключении светодиода к источнику постоянного напряжения плюсом к контакту р, а минусом — к n через светодиод потечет ток. При прохождении электронов через зону р-n -перехода (активная зона р-n-перехода прибора) электроны рекомбинируют (соединяются) с дырками, причем для производства светодиодов используются материалы, в которых рекомбинация носит не тепловой, а излучательный характер, то есть энергия, выделяемая при рекомбинации, идет не на нагревание материала полупроводника, а на излучение фотонов в оптическом спектре.

Выпускаемые промышленностью светодиоды состоят из кристалла полупроводника, заключенного в линзу из полимерного материала, например, эпоксидной смолы — рис. 1.

Конструкция некоторых типов светодиодов

Конструкция светодиода призвана обеспечить минимальные потери излучения при выходе во внешнюю среду и фокусирование света в заданном телесном угле. Кроме того, должен быть обеспечен эффективный отвод теплоты от кристалла. Самая распространенная конструкция светодиода-традиционный 5-миллиметровый корпус, разработанный в 1970-е годы (рис. 1, а). Конечно, это не единственный вариант «упаковки» кристалла. Например, для сверхярких светодиодов, рассчитанных на большие токи, требуется массивный медный или алюминиевый теплоотвод (рис. 1, б).

Линза фокусирует свет кристалла и защищает кристалл от влаги и коррозии. Присоединение контакта к аноду обычно осуществляется с помощью пайки либо электропроводящего клея. Контакт к катоду выполняется с помощью тонкой золотой проволоки.

Для обычного освещения интерес представляют светодиоды, которые излучают белый свет. В настоящее время существуют следующие способы создания таких светодиодов. Первый способ предполагает смешение излучения трех или более цветов. Но для практических применений этот способ доставляет неудобства, поскольку нужно иметь несколько источников различного напряжения, много контактных вводов и устройства, смешивающие и фокусирующие свет от нескольких и более светодиодов. Наиболее простыми и экономичными способами являются: смешение голубого излучения от светодиода с излучением желто-зеленого люминофора, возбуждаемого этим голубым светом, или возбуждение синим светодиодом зеленого и красного люминофоров. Смешиваясь, эти цвета дают свет, близкий по спектру к белому. Кристалл покрывается слоем геля с порошком люминофора так, чтобы часть голубого излучения возбуждала люминофор, а часть — проходила без поглощения. Форма держателя, толщина слоя геля и форма пластикового купола рассчитываются и подбираются так, чтобы спектр имел белый цвет в нужном телесном угле (конусе света). В настоящее время существуют около десятка различных люминофоров для белых светодиодов.

Еще один способ основан на смешении излучения трех люминофоров (красного, зеленого и голубого), размещенных слоями.

Люминофоры возбуждаются ультрафиолетовым светодиодом. При таком способе используются люминофоры, разработанные в течение многих лет для люминесцентных ламп, в которых излучение света происходит по тому же принципу. Требуется только два контактных ввода на один излучатель. Однако такой способ связан с существенными потерями энергии при преобразовании света в люминофорах. Эффективность данного способа снижается из-за того, что каждый из люминофоров имеет свой определенный спектр возбуждения люминесценции, не точно соответствующий спектру излучения кристалла ультрафиолетового светодиода принято следующее деление светодиодов на группы:

♦ светодиоды с током питания менее 30 мА, силой света 500-1000 мкд, которые применяются для сигнализации в системах отображения информации;

♦ светодиоды с током питания 30-100 мА, силой света 1-3 кд, используемые как для сигнализации в системах отображения информации, так и для освещения;

♦ светодиоды с током питания более 100 мА, световой поток которых составляет более 10 лм, предназначенные для освещения;

♦ светодиоды со специальными устройствами для оптимизации рабочих режимов.

Основными показателями светодиодов, определяющими их эффективность, являются квантовый выход, коэффициент полезного действия, долговечность и световая отдача.

Под квантовым выходом понимается количество излученных квантов света на одну рекомбинировавшую электронно-дырочную пару, выраженное в процентах. Различают внутренний и внешний квантовый выход. Внутренний — это характеристика самого р-n -перехода, его конструкции и материала, внешний квантовый выход определяет характеристику прибора в целом. Разница между внутренним и внешним квантовым выходом обусловлена потерями в материале светодиода. Внутренний квантовый выход для кристаллов с хорошим теплоотводом достигает почти 100 %. Максимальное значение внешнего квантового выхода для красных светодиодов составляет 55 %, а для синих — 35 %. Внешний квантовый выход — одна из основных характеристик эффективности светодиода.

Коэффициент полезного действия (КПД) также является показателем эффективности использования светодиодом электрической энергии. КПД сильно зависит от формы спектра и может быть приближенно определен через значение энергии кванта света в спектральном максимуме.

К основным достоинствам светодиодов относят их высокую надежность и долговечность. Срок службы светодиодов достигает 100 тыс. ч.

По достигнутым значениям световой отдачи светодиоды давно обогнали лампы накаливания и вплотную приблизились к люминесцентным лампам. Так, созданы светодиоды белого цвета со светоотдачей 25-30 лм/Вт, цветовой температурой Тс = 6000-8500 и общим индексом цветопередачи Ra = 80, а цветные (красные) — со световой отдачей 50 лм/Вт.

Светодиод должен питаться от источника стабилизированного тока. Для питания светодиода от батарейки необходим токоограничивающий резистор R (рис. 2).

Схема подключения светодиода к источнику постоянного тока

Рис. 2. Схема подключения светодиода к источнику постоянного тока

Светодиод можно питать и от источника переменного тока. При этом последовательно со светодиодом должен быть включен выпрямительный диод. Схема подключения светодиодов к источнику переменного тока представлена на рис. 3.

Схема подключения светодиода к источнику переменного тока

Рис. 3. Схема подключения светодиода к источнику переменного тока

Светодиоды также допускается питать в импульсном режиме.

В этом случае импульсный ток, протекающий через прибор, может быть выше, чем значения постоянного тока (до 150 мА при длительности импульсов 100 мкс и частоте импульсов 1 кГц). Для управления яркостью светодиодов (и цветом, в случае смешения цветов) используется широтно-импульсная модуляция (ШИМ) — метод, очень распространенный в современной электронике. Это позволяет создавать специальные управляющие устройства – контроллеры с функцией плавного изменения яркости (диммеры) и цвета(колорчейнджеры), что можно эффективно использовать в системах декоративного освещения/