Как работает светодиод: принцип работы, устройство и особенности

Многие потребители хотят больше узнать об устройстве светодиодов, принципе работы этих электрических приборов, а также их технологических особенностях. Это связано с популяризацией LED-освещения в целом. Такие элементы представляют собой полупроводниковые изделия с электронно-дырочным переходом, позволяющим формировать оптическое излучение.

Как появилась специфическая светотехника?

Прежде чем рассмотреть принцип работы светодиодов, предлагается изучить информацию о том, каким образом они были созданы. Самое первое сообщение о возможности излучения света посредством твердотельного диода принадлежит одному британскому экспериментатору. Он сделал его еще в 1907 году, когда описал процесс электролюминесценции.

Эксперименты повторно проводились и в российской лаборатории, но тогда им не придали особого значения. В 1961 году первая светодиодная технология была запатентована сотрудниками американской компании. С тех пор процессы разработки совершенствовались. И через какое-то время удалось выпустить элемент высокой яркости для использования в телекоммуникационной сфере.

Об основных физических свойствах

Чтобы понять принцип работы светодиода, необходимо понимать, что каждый элемент – это полупроводниковый диод, преобразовывающий электроэнергию непосредственно в световое излучение. Когда по нему проходит прямой ток, осуществляется перенос электронов в конкретную область. В процессе перемещения происходит переход на другой энергетический уровень с выделением большого количества светового излучения.

Чтобы получить различные цветовые эффекты, в полупроводниковый материал внедряются активирующие вещества. Чаще всего применяется монохроматическое излучение. При таком варианте для каждого диода используется определенная длина волны. Цветовая гамма свечения может быть управляемой.

Наиболее важные особенности

Рассматривая подробное устройство и принцип работы светодиода, нельзя не отметить некоторые особенности. Излучение приборов находится в прямой зависимости от угла направленности, который зависит от конструкции. Определенное влияние на интенсивность излучения оказывают:

• материал, применяющийся непосредственно для защиты кристалла;
• установленная линза.

Полупроводниковый прибор способен выделять не только узконаправленный, но и рассеянный свет. Температурный режим внешней среды может оказывать влияние на свойства светодиодов. От него зависит их яркость. При повышении температуры свечение становится тусклее, а при понижении – ярче. В связи с этим сфера эксплуатации имеет особое значение.

Высокие требования предъявляются к продукции, предназначенной для наружного применения. Она должна исправно функционировать при значительных колебаниях температур. Яркость света в ходе эксплуатации не должна заметно изменяться. Современные решения позволяют обеспечить нормальное свечение, независимо от температуры окружающей среды.

Принцип работы светодиода основывается на высокой скорости действия. Излучение появляется в течение нескольких секунд после прямого воздействия электрического тока непосредственно на полупроводник. Изготавливаемые приборы могут иметь технологические отличия, от которых будет зависеть сфера применения.

Светодиоды типа DIP

Полупроводниковые элементы данной категории относятся к слаботочным изделиям, поэтому они в основном применяются для дополнительной подсветки. Обычно они устанавливаются в качестве индикаторов или основных источников в гирляндах. С появлением более совершенных технологий их производство существенно сократилось.

Принцип работы светодиода малой мощности сравнительно прост. В качестве основы выступает корпус, имеющий цилиндрическую форму. Он изготавливается из эпоксидной смолы. Во внутренней части находятся специальные выводы, вставленные в печатную плату. Закругленный цилиндр позволяет создать направленный световой поток.

Излучающий элемент в виде кристалла размещен на катоде, который напоминает небольшой флажок. Он при помощи сверхтонкого провода соединен с анодом. Встречаются изделия сразу с двумя или тремя кристаллами, имеющими разные цвета. При необходимости в корпус внедряется управляющий чип, необходимый для контроля над свечением.

Для наращивания уровня светового потока в таких светодиодах начали делать четыре вывода вместо двух. Однако при таком варианте нагрев кристалла значительно увеличился, что привело к ограничению возможной сферы применения.

Светодиоды типа SMD

Такие элементы имеют более широкое назначение, что связано с основными характеристиками. Принцип работы светодиодов данного типа позволяет организовывать освещение различных форматов. Полупроводниковые приборы с фиксированной печатной платой имеют компактные габариты, благодаря чему они могут использоваться даже в самых маленьких светильниках.

Базовая часть корпуса, на которую фиксируется кристалл, обладает высокой теплопроводностью, поэтому отвод тепла производится эффективно. Обычно между линзой и основным элементом укладывается слой люминофора, предоставляющий возможность нейтрализовать ультрафиолет, а также задать определенную цветовую температуру. В изделиях с рассеянным излучением линза не устанавливается. Сам элемент по форме напоминает параллелепипед.

Светодиоды типа COB

Подобные элементы начали использоваться для лампочек и фонарей с мощным светодиодом. Принцип работы изделий остается тем же, но к алюминиевой основе в данном случае крепятся десятки кристаллов при помощи диэлектрического клеевого состава. Полученная матрица обрабатывается одним слоем люминофора, в результате чего образуется световой источник с равномерным распределением основного потока.

Одной из разновидностей технологии является вариант с распределением большого количества кристаллов по стеклянной поверхности. По этой схеме изготавливаются филаментные лампы, у которых в качестве базового источника выступает центральный стержень из стекла, покрытый мелкими светодиодами и обработанный люминофором.

Технология RGB

Принцип работы RGB-светодиода основывается на оптическом эффекте, позволяющем получить разнообразные цветовые оттенки в результате смешения трех основных компонентов палитры. На одной матрице установлены сразу три кристалла. Для адаптации к различным условиям существует несколько модификаций изделий. Они изготавливаются с общим катодом или анодом, а иногда и без таковых (с шестью основными выводами).

Чаще всего световая технология используется для оформления рекламных щитов, декорирования строений, обрамления мостов, памятников архитектуры и других конструкций. Принцип работы многоцветного светодиода идентичен. Однако конструктивные особенности увеличивают конечную стоимость изделий и усложняют схему подсоединения к электрической сети.

Основные технические характеристики

Существует несколько параметров, характеризующих светодиоды.

1. Яркость выражается в единицах силы света. Она пропорциональна величине проходящего через полупроводниковый элемент электрического тока. С увеличением напряжения повышается уровень яркости.
2. Сила тока может быть пульсирующей или постоянной. Она может колебаться в широком диапазоне. Индикаторные приборы могут иметь силу тока всего 20 мА, а одноваттные аналоги – 300-400 мА.
3. Длина волны оказывает влияние на цветовую гамму. Ее измерения производятся в нанометрах. Границы волны сопоставляются с базовыми компонентами палитры необходимым образом.

Цветовая гамма испускаемого излучения меняется при введении в полупроводниковый материал химически активных веществ.

Принцип работы драйвера для светодиодов

Для получения стабилизированного тока применяется специальное устройство, которое выбирается с учетом следующих параметров:

• определенной мощности;
• напряжения непосредственно на выходе;
• номинального тока.

Устанавливаемые драйверы могут быть линейными или импульсными. Первые из них призваны обеспечивать плавную стабилизацию электрического тока при изменчивом напряжении на входе. Импульсные приборы формируют в выходном канале высокочастотные толчки. Они отличаются высоким коэффициентом полезного действия.

Существуют еще диммируемые драйверы, предоставляющие возможность настраивать яркость свечения светодиодов. Днем интенсивность излучения можно несколько уменьшить, благодаря чему удастся экономить ресурс полупроводниковых изделий и электрическую энергию.

Интересующие вопросы

Теперь принцип работы светодиодов стал понятен, однако многие пользователи задают различные вопросы по этой теме.

1. Какие параметры влияют на срок службы полупроводникового прибора? Есть утверждение, что светодиоды долговечны, но это не совсем так. При высокой силе тока в процессе эксплуатации увеличивается температура, поэтому более мощные устройства быстрее выходят из строя.
2. Ухудшается ли цветовая передача светодиодов со временем? При длительной эксплуатации приборов происходит определенное изменение оттенка, но в настоящее время не существует каких-либо стандартов, позволяющих выразить это в количественном отношении.
3. Не являются ли устройства вредными для человеческого глаза? Какие-либо сведения о негативном воздействии полупроводниковых элементов на данный момент времени отсутствуют.
4. Почему необходимо стабилизировать электрический ток, проходящий через LED-устройство? Даже небольшие изменения напряжения способны привести к колебаниям яркости.
5. Каким образом можно получить белый свет? Есть три основных варианта. Первый из них предполагает смешение компонентов палитры с применением технологии RGB. Второй вариант подразумевает нанесение три люминофора непосредственно на поверхность полупроводникового прибора, излучающего поток света в ультрафиолетовом диапазоне. В третьем способе люминофор наносится на голубой элемент.

В качестве заключения

В рамках статьи удалось подробно рассмотреть принцип работы светодиода. Для «чайников» (людей, не разбирающихся в современных технологиях LED) она станет, пожалуй, ценным пособием. В ней собрана наиболее полная информация, касающаяся устройства и функционирования современных осветительных систем, пользующихся высокой популярностью.