Какво представлява светодиодът - подробно описание на характеристиките и видовете

Светодиодите са навсякъде: в домовете, автомобилите, телефоните. Те могат да се използват за осветяване на екраните на джаджи или за създаване на енергоспестяващи източници на светлина. Сега тя е незаменим източник на светлина. Нека разгледаме устройството и техническите характеристики на основните видове светодиоди.

Какво представлява светодиодът

Светодиод (Light Emitting Diode или LED) - твърдотелен електрически източник на изкуствена светлина, изработен от полупроводникови материали с p- и n-проводимост. С помощта на редица техники - отлагане на маски, ецване, епитаксиално отлагане и т.н. - се получава p-n преход.

В полупроводниковия материал от p-тип носителите на ток са "дупки" - атоми в полупроводниковия кристал, които чрез допиране със специални метали създават недостиг на електрони. В n-материалите носителите са излишните електрони в кристала.

"Дупката" всъщност е неподвижна. Той има положителен заряд, равен на заряда на електрона. Електрон, който "прескача" от външната орбита на един атом към външната орбита на съседен атом, премества "дупката" в обратна посока.

Как работи или какво свети на светодиода

Електрическият ток под формата на противоток на носители на електричен заряд - "дупки" - положителни "частици" и електрони - отрицателни, може да се индуцира чрез свързване на постоянно напрежение с определена големина и полярност към p-n прехода. Когато тези потоци се срещнат в p-n прехода, те рекомбинират или се сливат. В "дупката" влиза свободен електрон с повишена енергия и тя изчезва.

Схематична схема на светлоизлъчващ диод.

Вдясно е n-полупроводниковата част на кристала, "обогатена" със свободни електрони, а вляво е p-полупроводниковата част с положителни "частици" - "дупки".

Енергията се освобождава под формата на кванти светлина. Те се излъчват, т.е. излъчват се от края на кристала. Потокът от кванти се удря в рефлектора. Полираната му повърхност отразява светлината в желаната посока. Желаната насоченост на светлинния поток се формира чрез специална конфигурация на повърхността.

Схема за производство на светлина в p-n преход.

Напрежението за захранване на прехода се подава "+" към анода на диода и "-" към катода.

Дизайн

Диодна структура във вертикален участък.

Лилавият цвят показва топлоотделящата основа. Сивите трапеци представляват напречните сечения на алуминиев кръгъл отражател. В центъра на синия цвят е светодиодният чип със златни или сребърни проводници, запоени към изводите на анода и катода.

Видове светодиоди

Светодиоди - доста "младо" устройство. Окончателната им класификация все още не е установена. Ето защо много известни производители използват собствени системи за подразделяне.

Според един от тях светодиодите се групират според предназначението им, както следва:

1. Индикатор.
2. Просветление.

Индикаторните светодиоди в своята група са разделени на следните видове.

DIP диоди.

Съкращението произлиза от Dual In-line Package или "двойно редово разположение". Обикновено корпусите са цилиндри, но има и паралелепипеди. В долния край има аксиални проводници, които са успоредни на основната ос на симетрия на корпуса. Катодният проводник е по-къс от анодния.

Изглед на DIP светодиода над печатната платка, показващ запояването в метализираните отвори.

Разделяне на типове по диаметър на корпуса и леща в горния край. Диаметрите варират от 2-3 мм до 20 мм и повече. Цвят на светене - произволен цвят, има няколко бели нюанса.

Единият тип е мигащ в 2 цвята и има 3 извода.

Сламена шапка.

Буквален превод на "сламена шапка" или "ръб". Когато се прилага към светодиоди – Корпусът прилича на шапка със заоблен връх.

Вариант на DIP светодиода, наречен Straw Hat или "сламена шапка".

Виждат се изводите с различна дължина, като късият е катодът. Ограничителите на височината на монтажа също са видими. Под лещата се намира кристал с жълт фосфор.

Супер флукс "Пираня"

Пряк превод - супер поток. Piranha се превежда на руски като пираня. Името Piranha произлиза от металните накрайници под формата на тесни ленти. Светодиодът е произведен с отрязани ъгли в краищата на проводниците при щамповането, за да се улесни монтирането на отворите в платката. Така се появяват острите "зъби" на хищната риба.

Върху щифтовете са щамповани рамената - ограничителите, които определят височината на корпуса над дъската. Това отвори корпуса за въздушно охлаждане отдолу. В горните краища на щифтовете са поставени кристали за пасивно охлаждане.

С поставянето на 2 или 3 чипа в корпуса се увеличава светлинният поток. Това прави диода един от най-ярките светодиоди.

Пираня LED в прозрачен калъф.

Можете да видите кристала, "покрит" от лещата, и конусовидните щифтове, формиращи височината на монтажа.

SMD

Съкращение на Surface Mounted Device, превежда се като Устройство за повърхностен монтаж. Те представляват правоъгълни пластмасови или керамични корпуси. Терминалите са разположени на дъното и отстрани на корпуса под формата на контактни подложки.

Най-често светят, но при ниска мощност могат да бъдат и индикаторни. Капацитетът варира от mW (миливат) до W. Сияние - всеки цвят или нюанс на бяла светлина.

Прочетете също: Характеристики на SMD LED

OLED

Освен полупроводниковите светодиоди на базата на полупроводникови метали - силиций, германий, галиев арсенид и др., съществува и група светодиоди на базата на филми от органични съединения. Те се наричат органични или OLED - органични светодиоди.

Подобно на полупроводниковите диоди, те излъчват светлина, но не с твърдотелна структура, а с тънък филм. Засега основното приложение е в разработването на монохромни дисплеи. Съществуващите недостатъци на цветните OLED филми са различното време за работа на филмите с различни цветове на луминесценция. Минимумът е около 12-15 хиляди часа.

След като бъдат усъвършенствани, тези светодиоди ще бъдат широко използвани в мобилни телефони, автомобилни и морски GPS-навигатори, нощни мерници и устройства за нощен лов и стрелба и др.

Видео - преглед: сравнение на QLED, OLED и LCD (IPS).

Нишки

През 2012-2013 г. се появиха необичайни светодиоди, които се наричат Filament. По принцип това са COB матрици под формата на дълги цилиндри с диаметър 2-3 и дължина 15-30 mm. Върху стъклен или сапфирен цилиндър са залепени 28-30 сини кристала с включвания на няколко червени. Те се свързват в последователни вериги и след проверка на правилното им функциониране се пълнят с жълт фосфор.

Тази технология за нишки се нарича Chip-On-Glass или COG.

Сглобяемите матрици за COG се поставят върху фитингите на обикновените лампи с нажежаема жичка, монтират се в цокъл и се поставят в стъклена или пластмасова крушка. Крушката е пълна с хелий, за да се охлаждат светодиодите.

Мощността на лампите е от 2-3 до 10-12 W. Светлинният поток съответства на светлинната ефективност на конвенционалните светодиоди, която е 80-100 Lm/W.

Резултатът е светодиодна модернизация на крушка с нажежаема жичка. Лампата често се нарича неправилно светодиодна крушка с нажежаема жичка.

Терминът "модернизация" произлиза от retrofit. Това са нови светлинни източници в корпуси с традиционни размери.

Светодиодна крушка с филамент в балонна крушка.

Високомощна лампа с нажежаема жичка в издължена крушка.

Фигурите по-горе показват различни мощности и производители LED лампи с нажежаема жичка. В стъклена крушка с цокъл E27 модулите COL са прикрепени към фасунгата на крушката.

Тип PCB Star

Съкращението на този тип светодиоди произлиза от английското словосъчетание Printed Circuit Board (печатна платка). В превод това е печатна платка.

PCB Star diode board.

PCB Star diode board. Произведена от американската компания CREE, модел XML. Жълтият правоъгълник е COB матрицата на мощния диод.

Плочата е изработена от метал, който добре провежда топлина, например алуминий. Конфигурацията на платката е 6-лъчева звезда. COB LED матрицата е фабрично монтирана в центъра на звездната платка. Платката е боядисана в черно, за да се подобри пасивното отвеждане на топлината от мощния излъчвател на светлина.

Мощни светодиоди от типа PCB Star.

Шестте "звезди" вляво са диоди с различна мощност и оттенък на бялата светлина. Двата в долната част са по-мощни елементи с големи жълти фосфорни кръгове. Вдясно - колона от 4. - Диоди за плоскостен монтаж върху повърхността на контактните подложки на печатната платка.

Оразмерителен чертеж на мощен плосък светодиод върху печатна платка тип "звезда".

Размерен чертеж на мощен плосък светодиод върху звездна платка. Височината на конструкцията е 6,6 mm, диаметърът на тялото на диода с плоски щифтове е 8 mm, размерът на платката Star е 22 mm.

COB-LED матрица

Ако върху топлопроводима подложка от изкуствен кристал от сапфир или силиций се залепи диелектрично лепило с няколко дузини полупроводникови кристали със синьо сияние, свържете ги с проводници в последователно-паралелни групи и запълнете горната част с жълт фосфор, получаваме светодиоден модул. Това е COB матрица. Съкращението произлиза от английското словосъчетание Chip-On-Board. Превежда се като "кристали върху дъска".

Кръгла COB матрица от светодиоди, изпълнена с жълт фосфор. По протежение на "рамката" са разположени кафяви контактни подложки за веригите за захранване и/или управление.

В матриците COB се използва светодиоден чип без сърцевина и субстрат. Подредбата е изключително плътна. Голяма част от мощните светодиоди се произвеждат по тази технология, включително стотици кристали. Добър радиатор с вентилатор, понякога с използване на топлинни тръби, може да достигне 150-200 W или повече в един пакет. Матрицата осигурява насочен поток с ъгъл на разсейване 100-150 градуса при 0,7 от максималното ниво на излъчване.

Типична класификация

Видовете светодиоди могат да бъдат класифицирани като:

• светодиоди с един чип на един-единствен чип с висока мощност (COB матрица)
• двойки светодиоди в един пакет - индикаторни светодиоди, които мигат последователно в два цвята, напр. червен и жълт
• тройки или триади от излъчватели с три основни цвята - червено, зелено и синьо или RGB .Червено, зелено, синьо.

Тричипов светодиод в SMD опаковка за монтиране върху повърхността на печатната платка.

Ако трикристалният светодиод има кристали от един и същи цвят, получаваме свръхярък светодиод. С различни цветни кристали имаме RGB триади или многоцветни контролирани устройства за излъчване на светлина.

SMD е съкращение от Surface Mounted Device (устройство за повърхностен монтаж). Използва се за автоматизиране на поставянето и запояването на електронни компоненти върху печатни платки, включително светодиоди. Използва се в ленти, ленти, модули и конвенционални печатни платки.

Основните цветове включват двойката цветове YB - жълто и синьо. Съществуват и други цветови комбинации, които след смесване дават бял цвят.

Мощни светодиоди COB

По-големите модели имат отвори за закрепване в ъглите на корпуса. По-малките модели могат да се монтират чрез запояване върху печатна платка.

В допълнение към обичайните характеристики на светодиодите към моделите с висока мощност са добавени няколко допълнителни параметъра:

• номинална мощност, W;
• размер на чипа, mm;
• номинален работен ток на чипа или матрицата;
• експлоатационен живот, свързан със стандартите L 70, L80 и др.

Светодиоди с ниска консумация на енергия

По отношение на консумацията на енергия светодиодите са с мощност от 0,05 до 0,5 W, работен ток - 20-60 mA (средна мощност - 0,5-3 W, ток 0,1-0,7 A, висока - повече от 3 W, ток 1 A и повече).

В структурно отношение светодиодите с ниска консумация на енергия включват няколко групи светодиодни излъчватели на светлина:

• SMD конвенционални и супер ярки светодиоди;
• DIP диоди в цилиндрични опаковки - за монтиране в отвори в платката;
• в опаковки Piranha - за монтаж в отвори.

Светодиоди с ниска консумация на енергия в различни корпуси.

На снимката са показани светодиодите отгоре надолу:

1. Цилиндрични DIP корпуси - с гъвкави проводници за запояване в отворите на платката.
2. В корпуси тип "пираня", известни още като Superflux, запоявайте в дупките.
3. В плоски изводни корпуси за монтаж върху едностранни и двустранни подложки за печатни платки или в кладенци за ламинирани платки.

Характеристики на светодиодите

Светодиодите се описват с редица параметри. Най-важните от тях са

• интензитет на светлината и енергийна ефективност - Lm и Lm/W;
• ъгъл на отклонение на светлинния поток - 0,5 или 0,7 градуса, градуси - при конвенционалните модели от 120 до 140 градуса, при индикаторните модели - от 15 до 45 градуса
• работна мощност, W - малка - до 0,5, средна - 0,5-3, голяма - повече от 3;
• работен ток през диода, mA или A;
• цвят или нюанс на бялата светлина, цветна температураКелвин, К - от 2000-2500 К - топло бяло и до 6500-9500 К - студено бяло.

Съществуват и други спецификации, но те се използват по-рядко. Например волт-амперната характеристика или VAR на светодиод е кривата на тока през съединението като функция на приложеното работно напрежение. Използва се при електрически изчисления на режима на работа на светодиод.

Размери .

Размерите на светодиода се определят от размерите на неговия корпус. За корпусите SMD това са дължина, ширина и дебелина. Първите две стойности са вградени в обозначението, например SMD2835, където двете двойки цифри са 2,8 mm - ширина и 3,5 mm - дължина. Дебелината на корпуса можете да получите от описанието или от информационния лист на диода.

Размери . SMD3528 и SMD2835. Сивият ъгъл в долния десен ъгъл е ключът, който показва катода.

За цилиндричните DIP диоди важните характеристики са диаметърът на корпуса и височината му с лещата. Трябва да се вземе предвид дължината на проводниците и препоръките на производителя за огъването им преди монтажа.

Дължина на вълната

Такава характеристика на светодиодите като дължина на вълната се използва много рядко. По-често наричана дължина на вълната на луминесценцията.

Дължината на вълната на диода се измерва в нанометри - nm. Това невинаги е посочено в информационния лист на продукта.

Маркиране и цветово кодиране

Всеки производител има своя собствена маркировка на светодиодите. Например, LED-WW-SMD5050 има дешифриране на буквените и цифровите елементи:

• LED - LED;
• WW - Топло бяло - топло бяло 2700-3500 K;
• SMD - корпус за повърхностен монтаж;
• 5050 - размери на опаковката в десети от милиметъра - 5,0×5,0.

Съкращения на нюансите на бялата светлина:

• DW - дневно бяло (4000-5000 K);
• W - Бяло, чисто бяло (6000-8000 K);
• CW или WC - студено бяло (8000-10000 K);
• WSC - White Super Cool - суперстудено бяло, с цветна температура 15 000 K и характерен синкав оттенък;
• NW - неутрално бяло - 5000 K.

Съществуват и други обозначения за светодиодите и цветовете, като системата все още не е напълно стандартизирана, така че производителите използват различни цифрови стойности и наименования за нюансите на бялата светлина.

Графично и буквено представяне в схемата

Анодът, известен още като плюса на светодиода, в електрическите схеми е представен с триъгълник. Катодът (минус) е показан с кръстосана чертичка.

Вид на светодиода AL307 и неговото обозначение в чертежи и схеми.

Често използвано съкращение е латинското съкращение HL.

Таблица за напрежението на LED

За да се гарантира, че светодиодът в експлоатация всички характеристики, дадени от неговия дизайн и производствена технология, тя трябва да осигури дизайн захранване. Например, подайте напрежение към анода и катода, което ще бъде малко по-високо от напрежението на предния p-n преход. Превишението на напрежението трябва да се "неутрализира" с последователно свързан резистор. резистор. Резисторът се нарича резистор за ограничаване на тока. Той се използва, за да се предотврати превишаването на тока през p-n прехода.

Светодиодът има два контактни щифта - анод и катод, катодът е по-къс от анода. Ако дължината е една и съща, тогава определяне на с помощта на палец. Ако се появи светлина, това означава, че гледате към анода.

Таблица. Директно напрежение на p-n прехода на цветен светодиод.

Прочетете също: Как да разберете колко волта има един светодиод

LED приложения

Областите на приложение на светодиодите непрекъснато се разширяват. Първоначално те се използват като светлинни индикатори в комутационни вериги или при работата на електронно оборудване. Например включване на предавател, превключване на по-висока или по-ниска мощност и т.н. Може да блокира автоматично активиране, например при поява на сигнал за повикване или за привличане на внимание. Използвани са мигащи или едноцветни светодиоди - червени, жълти, зелени и сини.

Малки по размер супер ярки DIP светодиоди бяха свързани в последователно-паралелни вериги и захранвани директно от 220 V електрическа мрежа. Като поставихме тези последователни групи диоди в прозрачна PVC-тръба и ги запечатахме с прозрачен уплътнител, получихме "гъвкав неон" - светъл "пакет". Тя може да се постави на ръба на басейна, на бордюра на пътеката, да украси покрива на къщата или някое дърво в градината.

Използване на гъвкав неон.

Появата на гъвкави многослойни платки и SMD корпуси за повърхностен монтаж доведе до разработването на гъвкави LED ленти..

В началото те са били средство за декориране на вътрешни пространства. По-голямата мощност на SMD диодите и тяхната плътност върху платката позволиха да се започнат да се използват LED ленти първо за спомагателно, а по-късно и за основно осветление. Повишаването на степента на защита от прах и влага доведе до използването на лентите за декоративно осветление, а по-късно и за основно външно осветление.

В същото време се разработват светодиодни лампи, които да заменят лампите с нажежаема жичка в осветителните тела - стенни лампи, полилеи, настолни лампи. Появиха се ретрофитни лампи - пълни аналози на лампите с нажежаема жичка и луминесцентните тръби по отношение на формата, размера на крушката и захранващото напрежение. Започва постепенна замяна на лампите с нажежаема жичка с LED модернизация. В същото време производството на лампи с мощност 100 W и повече е преустановено - първо 100 W, после 75, 60 и т.н.

Разработването на мощни единични светодиоди, особено в пакет Emitter или PCB Star, допринесе за появата на фенерчета с вградени батерии. Блясъкът и луминесценцията след един цикъл на зареждане са многократно по-големи, отколкото в миналото.

Отлична възможност за управление на светодиодите с електронни средства - контролери и димери - контролери за яркост, позволи използването на мощни проектори за светлинно-динамично осветяване на улици и площади на градове и села във всеки регион на страната.

Приложение в декоративното осветление на сгради.

LED ленти като RGB, RGBW и RGBW направи възможно не само получаването на мощен поток от бяла светлина, но и промяната на нейния бял цвят в широк диапазон от топло жълтеникаво до синкаво и студено синьо.

Управляемостта на новите светлинни източници ги прави широко използвани в светлинната реклама - "бягащи линии", светлинни дисплеи, информационни екрани и др. Тези ярки цветни и бели светлинни източници се използват за фасадни и покривни реклами - плоски и обемни букви и рисунки, имена на марки, изображения на търговски марки и много други.

Всички тези конструкции издържат много по-дълго от аналозите на конвенционалните лампи, като не изискват почти никаква поддръжка и консумират многократно по-малко енергия. Спецификациите на светодиодите и светлоизлъчващите диоди непрекъснато се увеличават. Цената на светодиодите намалява, а приложенията им се разширяват.