Co je to LED dioda - podrobný popis vlastností a typů

LED diody jsou všude: v domácnostech, autech, telefonech. Lze je použít k rozjasnění obrazovek gadgetů nebo k vytvoření energeticky úsporných světelných zdrojů. Nyní je nepostradatelným zdrojem světla. Podívejme se na zařízení a technické vlastnosti hlavních typů LED diod.

Co je to LED dioda

LED (Light Emitting Diode nebo LED) - je polovodičový elektrický zdroj umělého světla, vyrobený z polovodičových materiálů s p- a n-vodivostí. Pomocí řady technik - nanášení masky, leptání, epitaxní depozice atd. - se vytvoří p-n přechod.

V polovodičovém materiálu typu p jsou nositeli proudu "díry" - atomy v krystalu polovodiče, které díky dopování speciálními kovy vytvářejí nedostatek elektronů. V n-materiálech jsou nosiči přebytečné elektrony v krystalu.

"Díra" je ve skutečnosti nehybná. Má kladný náboj rovný náboji elektronu. Elektron, který "přeskočí" z vnějšího orbitu jednoho atomu na vnější orbit sousedního atomu, posune "díru" opačným směrem.

Jak to funguje aneb co svítí na LED diodě

Elektrický proud v podobě protiproudého toku nosičů elektrického náboje - "děr" - kladných "částic" a elektronů - záporných lze vyvolat připojením konstantního napětí určité velikosti a polarity k p-n přechodu. Když se tyto toky setkají v p-n přechodu, rekombinují nebo se spojí. Do "díry" vstoupí volný elektron se zvýšenou energií a zmizí.

Schéma světelné diody.

Vpravo je n-polovodičová část krystalu "obohacená" volnými elektrony a vlevo je p-polovodičová část s kladnými "částicemi" - "dírami".

Energie se uvolňuje ve formě světelných kvant.. Ty jsou emitovány, tj. vyzařovány z konce krystalu. Proud kvant dopadá na reflektor. Jeho leštěný povrch odráží světlo v požadovaném směru. Požadovaný směrový obrazec světelného toku je vytvořen speciální konfigurací povrchu.

Schéma výroby světla na p-n přechodu.

Napětí pro napájení přechodu se přivádí "+" na anodu diody a "-" na katodu.

Design

Struktura diody ve svislém řezu.

Šeříková barva znázorňuje teplosměnný substrát. Šedé lichoběžníky představují průřezy hliníkového kruhového reflektoru. Uprostřed modré barvy je čip LED se zlatými nebo stříbrnými drátky připájenými k vývodům anody a katody.

Typy LED diod

LED diody - poměrně "mladé" zařízení. Jejich konečné zařazení zatím nebylo stanoveno. Proto mnoho známých výrobců používá vlastní systémy dělení.

Podle jedné z nich jsou LED diody rozděleny do následujících skupin podle svého účelu:

1. Ukazatel.
2. Osvětlující.

Indikační diody LED se ve svém seskupení dělí na následující typy.

DIP diody .

Zkratka je odvozena od slov Dual In-line Package neboli "dvojité řadové uspořádání". Obvykle se jedná o válce, ale existují i rovnoběžníky. Na spodním konci jsou drátové axiální vodiče, které jsou rovnoběžné s hlavní osou symetrie skříně. Katodový vodič je kratší než anodový.

Pohled na LED DIP nad deskou plošných spojů, kde je vidět pájení do pokovených otvorů.

Rozdělení na typy podle průměru pouzdra a objektivu na horním konci. Průměry se pohybují od 2-3 mm do 20 mm a více. Barva záře - libovolná barva, existuje několik bílých odstínů.

Jeden typ bliká dvěma barvami a má 3 vodiče.

Slaměný klobouk.

Doslovný překlad slaměného klobouku nebo rondelu. Při použití na LED diody – Pouzdro vypadá jako klobouk se zaobleným vrcholem.

Varianta DIP LED se nazývá Straw Hat neboli "slaměný klobouk".

Jsou vidět různě dlouhé přívody, z nichž ten kratší je katoda. Viditelné jsou také omezovače montážní výšky. Pod čočkou je krystal se žlutým luminoforem.

Super Flux "Piranha"

Přímý překlad - super tok. Piranha se do ruštiny překládá jako piraňa. Název Piranha je odvozen od kovových svorek v podobě úzkých proužků. LED dioda byla vyrobena s odříznutými rohy na koncích vodičů při ražbě, aby se snáze vešla do otvorů v desce plošných spojů. Vznikly tak ostré "zuby" dravé ryby.

Na kolících byla vyražena ramena - zarážky, které určovaly výšku skříně nad deskou. Tím se skříň otevřela pro chlazení vzduchem zespodu. Krystaly pro pasivní chlazení jsou umístěny na horních koncích vývodů.

Umístěním 2 nebo 3 čipů do pouzdra se zvýšil světelný tok. Díky tomu je dioda jednou z nejjasnějších LED diod.

LED dioda Piranha v průhledném pouzdře.

Je vidět krystal "zakrytý" čočkou a kuželové čepy, které tvoří montážní výšku.

SMD

Zkratka pro Surface Mounted Device, v překladu zařízení pro povrchovou montáž. Jedná se o obdélníková plastová nebo keramická pouzdra. Svorky jsou na spodní a boční straně pouzdra v podobě kontaktních plošek.

Nejčastěji svítí, ale při nízkém výkonu může být i indikační. Kapacity se pohybují od mW (miliwattů) do W. Záře - jakákoli barva nebo odstín bílého světla.

Přečtěte si také: Charakteristika LED SMD

OLED

Vedle polovodičových LED na bázi polovodičových kovů - křemíku, germania, arsenidu galia atd. existuje skupina LED na bázi vrstev organických sloučenin. Tyto diody se nazývají organické nebo OLED - Organic Light Emitting Diode.

Stejně jako polovodičové diody vyzařují světlo, ale nikoliv pomocí polovodičové struktury, nýbrž pomocí tenkých vrstev. Zatím se uplatňuje především při vývoji monochromatických displejů. Stávající nevýhodou barevných OLED fólií je rozdílná doba provozu fólií s různými barvami luminiscence. Minimálně se jedná o 12-15 tisíc hodin.

Po zdokonalení budou tyto LED diody široce využívány v mobilních telefonech, automobilových a námořních GPS navigátorech, nočních zaměřovačích a zařízeních pro noční lov a střelbu atd.

Video - přehled: srovnání QLED, OLED a LCD (IPS).

Vlákna

V letech 2012-2013 se objevily neobvyklé LED diody, které se nazývají Filament. V podstatě se jedná o matrice COB ve tvaru dlouhých válců o průměru 2-3 a délce 15-30 mm. Na skleněném nebo safírovém válci nalepeno 28-30 modrých krystalů s inkluzemi několika červených. Jsou zapojeny do po sobě jdoucích řetězců a po kontrole správné funkce jsou naplněny žlutým fosforem.

Tato technologie vláken se nazývá Chip-On-Glass neboli COG.

Prefabrikované matrice COG jsou umístěny na kování běžných žárovek, instalovány do patice a osazeny skleněnou nebo plastovou baňkou. Žárovka je naplněna heliem, které LED diody chladí.

Příkon svítidel je 2-3 až 10-12 W. Světelný tok odpovídá světelné účinnosti běžných LED, která je 80-100 lm/W.

Výsledkem je modernizace LED žárovky. Tato žárovka je často nesprávně označována jako LED žárovka.

Termín retrofit pochází z anglického retrofit. Jedná se o nové světelné zdroje v pouzdrech tradičních rozměrů.

Žárovka LED s filamentem v balónkové baňce.

Žárovka s vysokým příkonem v podlouhlé baňce.

Výše uvedené obrázky ukazují různé výkony a výrobce. LED žárovky. Ve skleněné žárovce s paticí E27 jsou moduly COL připojeny k žárovkovému tělesu.

Typ PCB Star

Zkratka pro tento typ LED je odvozena z anglického výrazu Printed Circuit Board (deska s plošnými spoji). V překladu jde o desku s plošnými spoji.

Diodová deska PCB Star.

Diodová deska PCB Star. Výrobce: americká společnost CREE, model XML. Žlutý obdélník je matice COB vysoce výkonné diody.

Deska je vyrobena z kovu, který dobře vede teplo, např. z hliníku. Konfigurace desky je šestipaprsková hvězda. Matice COB LED je z výroby namontována uprostřed hvězdicové desky. Deska je natřena černou barvou, aby se zvýšil pasivní odvod tepla z výkonného zářiče běžícího světla.

Výkonné LED diody typu PCB Star.

Šest "hvězdiček" vlevo jsou diody o různých výkonech a odstínech bílého světla. Dva ve spodní části jsou výkonnější prvky s velkými žlutými fosforovými kruhy. Vpravo je sloupec 4. - Diody pro plošnou montáž na povrch kontaktních plošek na desce plošných spojů.

Rozměrový nákres vysoce výkonné planární LED na hvězdicové desce.

Rozměrový nákres vysoce výkonné planární LED na hvězdicové desce. Konstrukční výška je 6,6 mm, průměr těla diody s plošnými vývody je 8 mm, velikost desky Star je 22 mm.

Matice COB-LED

Pokud na tepelně vodivý podklad z umělého krystalu safíru nebo křemíku nalepíme dielektrikum, přilepíme několik desítek polovodičových krystalů modře zářících, propojíme je vodiči do sériově-paralelních skupin a vrchní část vyplníme žlutým luminoforem, získáme LED modul. To je Matice COB. Zkratka je odvozena z anglického slovního spojení Chip-On-Board. Překládá se jako "krystaly na desce".

Kulatá matice LED COB naplněná žlutým luminoforem. Podél "rámečku" jsou hnědé kontaktní plošky pro napájecí a/nebo řídicí obvody.

Matrice COB používají bezjádrový čip LED bez substrátu. Uspořádání je velmi husté. Touto technologií se vyrábí velká část vysoce výkonných LED, včetně stovek krystalů. Dobrý chladič s ventilátorem, někdy s použitím tepelných trubic, může dosáhnout 150-200 W nebo více v jednom balení. Matrice poskytuje směrový tok s úhlem rozptylu 100-150 stupňů při 0,7 maximální úrovně záření.

Typická klasifikace

Typy LED diod mohou zahrnovat:

• jednočipové LED diody na jediném vysoce výkonném čipu (COB matrice).
• dvojice LED diod v jednom balení - indikační diody LED, které střídavě blikají dvěma barvami, např. červenou a žlutou.
• trojice nebo trojice zářičů se třemi hlavními barvami. - červená, zelená a modrá nebo RGB .Červená, zelená, modrá.

Tříčipová LED v pouzdře SMD pro montáž na povrch desky plošných spojů.

Pokud má tříkrystalová LED dioda krystaly stejné barvy, máme superjasnou LED diodu. S různobarevnými krystaly máme RGB triády nebo vícebarevná zařízení s řízeným vyzařováním světla.

SMD je zkratka pro Surface Mounted Device (zařízení pro povrchovou montáž). Slouží k automatizaci umísťování a pájení elektronických součástek na deskách s plošnými spoji včetně LED diod. Používá se v páskách, páskách, modulech a běžných deskách s plošnými spoji.

Mezi základní barvy patří dvojice barev YB - žlutá a modrá. Existují i jiné barevné kombinace, které po smíchání dávají bílou barvu.

Výkonné LED diody COB

Větší modely mají v rozích krytu upevňovací otvory. Menší modely lze namontovat pájením na desku s plošnými spoji.

Kromě obvyklých vlastností LED diod je u modelů s vysokým výkonem přidáno několik dalších parametrů:

• jmenovitý výkon, W;
• velikost čipu, mm;
• jmenovitý provozní proud čipu nebo matice;
• životnost spojená s normami L 70, L80 atd..

LED diody s nízkou spotřebou

Z hlediska spotřeby energie jsou LED diody od 0,05 do 0,5 W, provozní proud - 20-60 mA (střední výkon - 0,5-3 W, proud 0,1-0,7 A, vysoký - více než 3 W, proud 1 A a více).

Z konstrukčního hlediska obsahují LED diody s nízkou spotřebou několik skupin světelných zářičů:

• Běžné a superjasné LED diody SMD;
• DIP diody ve válcových pouzdrech - pro montáž do otvorů v desce;
• v obalech piranha - pro montáž do otvorů.

LED diody s nízkou spotřebou energie v různých pouzdrech.

Na obrázku jsou LED diody zobrazeny shora dolů:

1. Válcová pouzdra DIP - s ohebnými vodiči pro pájení do otvorů v desce.
2. V pouzdrech typu piranha, alias Superflux, pájejte do otvorů.
3. V planárních pouzdrech pro montáž na jednostranné a oboustranné plošné spoje nebo do "jamek" vícevrstvých desek.

Funkce LED

LED diody jsou popsány řadou parametrů. Nejdůležitější z nich jsou

• svítivost a energetická účinnost - Lm a Lm/W;
• úhel rozptylu světelného toku - 0,5 nebo 0,7 stupně, stupně - u běžných modelů 120 až 140 stupňů, u indikátorových modelů 15 až 45 stupňů.
• provozní výkon, W - malý - do 0,5, střední - 0,5-3, velký - více než 3;
• provozní proud diodou, mA nebo A;
• barva nebo odstín bílého světla, teplota barevKelvin, K - od 2000-2500 K - teplá bílá a až do 6500-9500 K - studená bílá.

Existují i další specifikace, ale ty se používají méně často. Například voltampérová charakteristika neboli VAR LED je křivka proudu procházejícího přechodem v závislosti na přiloženém provozním napětí. Používá se při elektrických výpočtech provozního režimu LED.

Rozměry .

Rozměry LED diody jsou dány rozměry jejího pouzdra. U pouzder SMD je to délka, šířka a tloušťka. První dvě hodnoty jsou vloženy do označení, například SMD2835, kde jsou dva páry číslic 2,8 mm - šířka a 3,5 mm - délka. Tloušťku tělesa můžete zjistit z popisu nebo datového listu diody.

Rozměry . SMD3528 и SMD2835. Šedý roh vpravo dole je klíč označující katodu.

U válcových DIP diod jsou důležité charakteristiky průměr pouzdra a jeho výška s čočkou. Je třeba vzít v úvahu délku vodičů a doporučení výrobce pro jejich ohýbání před montáží.

Vlnová délka

Taková vlastnost LED, jako je vlnová délka, se používá velmi zřídka. Běžněji se označuje jako vlnová délka luminiscence.

Vlnová délka diody se měří v nanometrech - nm. Ne vždy je to uvedeno v katalogovém listu výrobku.

Značení a barevné kódování

Každý výrobce má vlastní značení LED diod. Například LED-WW-SMD5050 má dešifrování abecedních a číselných prvků:

• LED - LED;
• WW - Warm White - teplá bílá 2700-3500 K;
• SMD - pouzdro pro povrchovou montáž;
• 5050 - rozměry balení v desetinách milimetru - 5,0 × 5,0.

Zkratky pro odstíny bílého světla:

• DW - denní bílá (4000-5000 K);
• W - Bílá, čistě bílá (6000-8000 K);
• CW nebo WC - studená bílá (8000-10000 K);
• WSC - White Super Cool - bílá superchladná, barevná teplota 15 000 K s charakteristickým namodralým odstínem;
• NW - neutrální bílá - 5000 K.

Existují i jiná označení pro LED diody a barvy, systém ještě není zcela standardizován, takže výrobci používají různé číselné hodnoty a názvy pro odstíny bílého světla.

Grafické a abecední znázornění ve schématu

Anoda, neboli plus LED diody, je v elektrických schématech znázorněna trojúhelníkem. Katoda (mínus) je znázorněna pomlčkou.

Vzhled LED AL307 a její označení na výkresech a schématech.

Často používanou zkratkou je latinská zkratka HL.

Tabulka napětí LED

Aby bylo zajištěno, že LED dioda v provozu všechny vlastnosti dané její konstrukcí a výrobní technologií, je třeba zajistit návrh napájení. Například na jeho anodu a katodu přiložte napětí, které bude o něco vyšší než napětí dopředného p-n přechodu. Přebytečné napětí je třeba "zrušit" sériově zapojeným rezistorem. rezistor. Rezistor se nazývá rezistor omezující proud. Slouží k tomu, aby proud nepřekročil p-n přechod.

LED dioda má dva vývody - anodu a katodu, přičemž katoda je kratší než anoda. Pokud je délka stejná, pak určit pomocí připínáčku. Pokud se objeví světlo, znamená to, že se díváte na anodu.

Tabulka. Přímé napětí p-n přechodu barevné LED.

Přečtěte si také: Jak zjistit, kolik voltů má LED dioda

Aplikace LED

Oblasti použití LED se neustále rozšiřují. Původně se používaly jako světelné indikátory ve spínacích obvodech nebo při provozu elektronických zařízení. Například zapnutí vysílače, přepnutí na vyšší nebo nižší výkon atd. Mohlo by dojít k automatické aktivaci zámku, např. při výskytu signálu volání nebo k upoutání pozornosti. Byly použity blikající nebo jednobarevné LED diody - červená, žlutá, zelená, modrá.

Malé superjasné LED diody DIP byly zapojeny do sériově-paralelních řetězců a napájeny přímo ze sítě 220 V. Umístěním těchto po sobě jdoucích skupin diod do průhledné PVC trubice a jejich utěsněním průhledným tmelem jsme získali "flexibilní neon" - světelný "svazek". Lze ji položit na okraj bazénu, obrubník cesty, ozdobit střechu domu nebo strom v zahradě.

Použití flexibilního neonu.

Nástup ohebných vícevrstvých desek a pouzder SMD pro povrchovou montáž vedl k vývoji ohebných desek pro povrchovou montáž. LED pásky..

Zpočátku sloužily k výzdobě interiérů. Větší výkon SMD diod a jejich hustota na desce umožnily začít používat LED pásky nejprve pro pomocné a později pro hlavní osvětlení. Zvýšení stupně ochrany proti prachu a vlhkosti vedlo k použití pásků pro dekorativní osvětlení a později pro základní venkovní osvětlení.

Současně byly vyvíjeny LED žárovky, které nahradily žárovky ve svítidlech - nástěnných lampách, lustrech, stolních lampách. Objevily se retrofitové žárovky - úplné obdoby žárovek a zářivek, pokud jde o tvar, velikost žárovky a napájecí napětí. Začala postupná výměna žárovek za LED retrofity. Současně byla ukončena výroba LL - nejprve 100 W a více, pak 75, 60 atd.

Vývoj výkonných jednotlivých LED diod, zejména v pouzdru Emitter nebo PCB Star, přispěl ke vzniku svítilen s vestavěnými bateriemi. Brilance a luminiscence po jednom nabíjecím cyklu byla mnohonásobně větší než v minulosti.

Vynikající ovladatelnost LED elektronickými prostředky - regulátory a stmívače - ovladače jasu, umožnila použití výkonných projektorů při světelně-dynamickém osvětlení ulic a náměstí měst a obcí v kterékoli oblasti země.

Použití v dekorativním osvětlení budov.

LED pásky, jako jsou RGB, RGBW a RGBW umožnil nejen získat silný proud bílého světla, ale také měnit jeho bílou barvu v širokém rozsahu od teplé žluté přes modravou až po studenou modrou.

Ovladatelnost nových světelných zdrojů umožňuje jejich široké využití ve světelné reklamě - "crawl lines", světelné displeje, informační obrazovky atd. Tyto jasné barevné a bílé světelné zdroje se používají ve fasádních a střešních reklamách - ploché a objemové nápisy a kresby, názvy značek, obrázky ochranných známek a mnoho dalšího.

Všechny tyto konstrukce vydrží mnohem déle než protějšky běžných světelných zdrojů, nevyžadují téměř žádnou údržbu a spotřebovávají mnohonásobně méně energie. Specifikace LED a světelných diod se neustále zvyšují. Náklady na LED diody se snižují a jejich použití se rozšiřuje.