Принцип роботи світлодіода і його пристрій – огляд всіх видів LED

У даній інформаційній статті ми постараємося в повній мірі описати принцип роботи світлодіодів всіх різновидів, наявних в природі на сьогоднішній день. Розглянемо загальне пристрій LED і розберемося як виходять світловипромінюючі діоди різних кольорів.

Принцип роботи

Напевно, кожна людина знає, що принцип дії світлодіода полягає в його «світіння» при підключенні до джерела живлення. Однак за рахунок чого це досягається? Давайте розберемося більш детально в цьому питанні.

Для створення видимого світлового потоку конструкція світлодіода передбачає наявність двох напівпровідників, один з яких в своєму складі має містити вільні електрони, а інший – «дірки».

Таким чином, між напівпровідниками виникає «P-N» перехід, в результаті якого електрони від донора переходять в інший напівпровідник (реципієнт) і займають вільні дірки з виділенням фотонів. Ця реакція проходить тільки при наявності джерела постійного струму.

Принцип дії розібрали, проте завдяки чому відбувається цей процес? Для цього необхідно розглянути конструктивну особливість світлодіода.

Як влаштований світлодіод

В незалежності від моделі світлодіода (СОВ, OLED, SMD і т.д.) вони складаються з наступних елементів:

  1. Анод (подача позитивної напівхвилі на кристал);
  2. Катод (подача негативної напівхвилі постійного струму на кристал напівпровідника);
  3. Відбивач (відображення світлового потоку на розсіювач);
  4. Чіп або кристал напівпровідника (випромінювання світлового потоку за рахунок «P-N» переходу);
  5. Рассеиватель (збільшення кута світіння світлодіода).

Тепер ознайомимося зі способами отримання різних кольорів.

Отримання світлодіода певного кольору

Раніше ми розібрали принцип роботи світлодіода і з’ясували, що світловий потік утворюється при виникненні «P-N» переходу в напівпровіднику з виділенням фотонів видимих ??людському оку. Проте яким же чином можна отримати різне світіння світлодіода? Для цього існує кілька варіантів. Розглянемо кожен з них.

покриття люмінофором

Дана технологія дозволяє отримати практично будь-який колір, проте найчастіше використовується для отримання білих світлодіодів. Для неї застосовують спеціальний реагент – люмінофор, яким покривають червоний або синій світлодіод. Після обробки синій світловипромінювальних діод починає світити білим.

RGB – технологія

Подібний тип пристроїв здатний випромінювати будь-який відтінок світлового спектру за рахунок застосування в одному кристалі 3-х світлодіодів: червоного, зеленого і синього. Залежно від інтенсивності світіння кожного з них, змінюється випромінюється світло.

Застосування різних домішок і різних напівпровідників

Завдяки даній технології, змінюється довжина хвилі випромінюваного світлового потоку в зоні «P-N» переходу. А як відомо, в залежності від довжини хвилі, її колір змінюється. Більш наочно це можна побачити на наступному фото:

Тепер давайте розберемо наступне питання: якими електричними характеристиками володіють дані пристрої і що потрібно для їх надійної роботи.

електричні характеристики

Світлодіоди – це пристрої, що випромінюють світловий потік при проходженні через них стабілізованого постійної напруги низького номіналу (3-5в). За рахунок створення різниці потенціалів на анод і катод в кристалі виникає електричний струм, який створює світловий потік.

Для повноцінної роботи LED, величина струму повинна бути на рівні 20-25 мА. Однак для потужних світлодіодів, струм споживання може досягати 1400 мА.

При збільшенні напруги джерела живлення, сила струму збільшується по експоненті. Це означає що при незначному стрибку напруги харчування сила струму збільшується багаторазово, що може привести до підвищення температури і виходу з ладу светоизлучающего діода (читайте, як перевірити світлодіод). Саме з цієї причини джерело постійної напруги необхідно стабілізувати за допомогою спеціальних мікросхем.

Тепер розглянемо основні різновиди LED, їхні переваги й недоліки.

Пристрій світлодіода індикаторного типу (DIP)

Даний тип LED – це «першопрохідці» в сфері світлодіодної техніки. Вони призначаються для промисловості в якості індикаторів.

Вони складаються з 3-х або 5-й міліметрового корпусу, анода, катода, кристала, золотого (в бюджетних варіантах мідного) провідника, який з’єднує анод з кристалом і розсіювача.

На практиці застосовуються дуже рідко, тому що мають ряд недоліків:

  • великий розмір;
  • малий кут світіння (до 1200);
  • низька якість кристала (при тривалій роботі яскравість випромінювання падає до 70%);
  • слабкий світловий потік за рахунок малої пропускної здатності кристала (до 20 мА).

Як влаштований потужний світлодіод

Потужні світловипромінюючі діоди (наприклад, фірми cree) призначені для створення інтенсивного світлового потоку за рахунок проходження через кристал великого струму (до 1400 мА).

На кристалі виділяється велика кількість тепла, яке за допомогою алюмінієвого радіатора відводиться від кристала напівпровідника. Також цей радіатор служить як відбивач для збільшення світлового потоку.

Для надійної роботи потужних LED необхідна наявність в схемі спеціального драйвера розрахованого на проходження великого потоку електронів, який крім стабілізації напруги повинен обмежувати струм, відповідний номінальної роботі пристрою.

Пристрій філаментная світлодіода

Світлодіоди типу filament були винайдені ще на початку 2008 року. Однак пік їх популярності припадає на 2014-2016 роки. Вони стали популярними у дизайнерів, оскільки нагадували звичайні лампи розжарювання і споживали мінімальну кількість електроенергії. Рекомендуємо почитати цікаву статтю про філаментні світлодіодні лампи.

конструкція

Філаментні LED – це пристрої, що складаються з сапфірового або звичайного скла діаметр, якого не перевищує 1,5 мм і спеціально вирощених кристалів напівпровідників (28 штук) з’єднаних послідовно на ізольованій підкладці.

Ці світлодіоди поміщаються в спеціальну колбу, що покривається люмінофором, за рахунок чого можна отримати будь-який колір. Основна перевага LED пристроїв, розроблених за даною технологією – це кут світіння, що досягає 3600.

Філаментні світловипромінюючі діоди деякі джерела відносять до класу COB (дивіться розділ нижче), оскільки кристали вирощуються на склі або сапфір за аналогічною технологією.

Пристрій і принцип роботи світлодіода COB

Технологія СОВ або ж Chip-On-Board – це одна з сучасних розробок в сфері електроніки, яка полягає в приміщенні великої кількості кристалів напівпровідника за допомогою діелектричного клею на алюмінієву підкладку. Також виготовлення світлодіодів подібного типу можливо на скляній матриці (COG) проте принцип роботи у них однаковий.

Отримана матриця покривається люмінофором. В результаті вдається досягти рівномірного світіння COB світлодіода будь-якого відтінку по всій площі. Дані пристрої широко застосовуються в розробці телевізорів, ноутбуків і планшетів.

Принцип роботи

Незважаючи на те, що СОВ світлодіоди мають специфічну назву, принцип його дії повністю аналогічний звичайним індикаторним светоизлучающим диодам розроблених в 1962 році. При проходженні струму через кристали напівпровідника виникає «P-N» перехід і як наслідок – світловий потік.

Відмінною особливістю даного типу пристроїв є наявність великого кількість кристалів, що дозволяє отримати більш інтенсивний світловий потік.

Пристрій і принцип роботи органічного світлодіода OLED

Останнє досягнення в сфері виробництва – це технологія OLED. Вона дозволяє виробляти високотехнологічні телевізори з тонким дисплеєм, мініатюрні смартфони, планшети і ще багато інших прилади, без яких не обійтися в сучасному суспільстві.

пристрій OLED

Діоди LED OLED складається з:

  • анода, виготовленого із суміші оксиду індію з оловом;
  • підкладки з фольги, скла або ж пластика;
  • алюмінієвого або кальцієвого катода;
  • випромінює прошарку на основі полімеру;
  • струмопровідного шару з органічних речовин.

Як працює дана технологія?

Принцип дії OLED аналогічний светодиодам СОВ, SMD і DIP і полягає в утворенні «P-N» переходу в напівпровідниках. Однак відмінною рисою технології ОЛЕД є застосування спеціальних полімерів, з яких складається світловипромінюючих прошарок, за рахунок якої збільшується термін служби світлодіода, світловий потік видимого спектру і кут світіння.

переваги

  • мінімальні розміри;
  • низьке енергоспоживання;
  • рівномірне світіння по всій площі;
  • тривалий термін експлуатації;
  • збільшений термін служби;
  • широкий кут світіння (до 2700);
  • низька собівартість.

Ми розглянули основні типи світлодіодів, які застосовуються в сучасному світі, проте на ряду з ними, корейські вчені пішли далі і розробили LED на основі волокон, які по їхнім обіцянкам витіснять всі застарілі типи пристроїв. Давайте розглянемо, що вони собою представляють.

Пристрій і принцип роботи світлодіода на основі волокон

Для виробництва світлодіодів даної ніші застосовують нитки терефталату поліетилену оброблені розчином PEDOT: PSS polystyrene sulfonate. Після обробки нитка майбутнього світлодіода просушують при температурі 1300С.

Після, заготовку обробляють за технологією OLED спеціальним полімером poly- (p-phenylenevinylene) polymer і отримані волокна покривають тонким шаром суспензії літій-алюмінієвого фториду.

висновки

Ми розглянули основні типи світлодіодів, яких як Ви можете бачити існує величезна кількість. Однак за принципом роботи вони всі однакові.

Також можна сказати, що завдяки застосуванню сучасних матеріалів і технологій виробництва можна домогтися високих технічних показників і більш надійної і тривалої роботи світлодіодів.

Для наочності рекомендуємо переглянути відео, в якому Ви докладно ознайомитеся з конструкцією LED:

Ссылка на основную публикацию