Як працює світлодіод: принцип роботи, пристрій і особливості

Багато споживачі хочуть дізнатися більше про пристрої світлодіодів, принципі роботи цих електричних приладів, а також їх технологічні особливості. Це пов'язано з популяризацією LED-освітлення в цілому. Такі елементи являють собою напівпровідникові вироби з електронно-дірковим переходом, що дозволяє формувати оптичне випромінювання.

Як з'явилася специфічна світлотехніка?

Перш ніж розглянути принцип роботи світлодіодів, пропонується вивчити інформацію про те, яким чином вони були створені. Саме перше повідомлення про можливість випромінювання світла за допомогою твердотільного діода належить одному британському експериментаторові. Він зробив його ще в 1907 році, коли описав процес електролюмінесценції. Експерименти проводилися повторно і в російської лабораторії, але тоді їм не надали особливого значення. У 1961 році перша світлодіодна технологія була запатентована співробітниками американської компанії. З тих пір процеси розробки удосконалювалися. І через якийсь час вдалося випустити елемент високої яскравості для використання в телекомунікаційній сфері.

Про основні фізичні властивості

Щоб зрозуміти принцип роботи світлодіода, необхідно розуміти, що кожен елемент – це напівпровідниковий діод, перетворюють електроенергію безпосередньо у світлове випромінювання. Коли по ньому проходить прямий струм, здійснюється перенесення електронів в конкретну область. В процесі переміщення відбувається перехід на інший енергетичний рівень з виділенням великої кількості світлового випромінювання. Щоб отримати різні колірні ефекти, в напівпровідниковий матеріал впроваджуються активні речовини. Найчастіше застосовується монохроматичне випромінювання. При такому варіанті для кожного діода використовується певна довжина хвилі. Колірна гамма світіння може бути керованою.

Найбільш важливі особливості

Розглядаючи докладний пристрій і принцип роботи світлодіода, не можна не відзначити деякі особливості. Випромінювання приладів знаходиться в прямій залежності від кута спрямованості, який залежить від конструкції. Певний вплив на інтенсивність випромінювання надають:

матеріал, застосовується безпосередньо для захисту кристала; встановлена лінза. Напівпровідниковий прилад здатний виділяти не тільки вузьконаправлений, але і розсіяне світло. Температурний режим зовнішнього середовища може впливати на властивості світлодіодів. Від нього залежить їх яскравість. При підвищенні температури світіння стає похмурим, а при зниженні – яскравіше. У зв'язку з цим сфера експлуатації має особливе значення. Високі вимоги пред'являються до продукції, призначеної для зовнішнього застосування. Вона повинна справно функціонувати при значних коливаннях температур. Яскравість світла в ході експлуатації не повинна помітно змінюватися. Сучасні рішення дозволяють забезпечити нормальне світіння, незалежно від температури навколишнього середовища. Принцип роботи світлодіода ґрунтується на високій швидкості дії. Випромінювання з'являється протягом кількох секунд після прямого впливу електричного струму безпосередньо на напівпровідник. Виготовляються прилади можуть мати технологічні відмінності, від яких буде залежати сфера застосування.

Світлодіоди типу DIP

Напівпровідникові елементи даної категорії відносяться до слабкострумових виробів, тому вони в основному застосовуються для додаткового підсвічування. Зазвичай вони встановлюються в якості індикаторів або основних джерел в гірляндах. З появою більш досконалих технологій їх виробництво значно скоротилося.
Принцип роботи світлодіода малої потужності порівняно простий. В якості основи виступає корпус, що має циліндричну форму. Він виготовляється з епоксидної смоли. У внутрішній частині знаходяться спеціальні висновки, вставлені в друковану плату. Закруглений циліндр дозволяє створити спрямований світловий потік. Випромінюючий елемент у вигляді кристала розміщений на катоді, який нагадує невеликий прапорець. Він за допомогою надтонкого провід з'єднаний з анодом. Зустрічаються вироби відразу з двома або трьома кристалами, які мають різні кольори. При необхідності в корпус впроваджується керуючий чіп, необхідний для контролю над світінням. Для нарощування рівня світлового потоку в таких світлодіодах почали робити чотири виведення замість двох. Однак при такому варіанті нагрівання кристала значно збільшився, що призвело до обмеження можливої сфери застосування.

Світлодіоди типу SMD

Такі елементи мають більш ширше призначення, що пов'язано з основними характеристиками. Принцип роботи світлодіодів даного типу дозволяє організовувати висвітлення різних форматів. Напівпровідникові прилади з фіксованою друкованою платою мають компактні габарити, завдяки чому вони можуть використовуватися навіть у найменших світильниках.

Базова частина корпусу, на яку фіксується кристал, має високу теплопровідність, тому відвід тепла здійснюється ефективно. Зазвичай між лінзою і основним елементом укладається шар люмінофора, що надає можливість нейтралізувати ультрафіолет, а також задати певну колірну температуру. У виробах з розсіяним випромінюванням лінза не встановлюється. Сам елемент по формі нагадує паралелепіпед.

Світлодіоди типу COB

Подібні елементи почали використовуватися для лампочок і ліхтарів з потужним світлодіодом. Принцип роботи виробів залишається тим же, але на алюмінієвій основі в даному випадку кріпляться десятки кристалів за допомогою діелектричного клейового складу. Отримана матриця обробляється одним шаром люмінофора, в результаті чого утворюється світловий джерело з рівномірним розподілом основного потоку. Однією з різновидів технології є варіант з розподілом великої кількості кристалів по скляній поверхні. За цією схемою виготовляються філаментні лампи, у яких в якості основного джерела виступає центральний стрижень із скла, вкритий дрібними світлодіодами і оброблений люмінофором.

Технологія RGB

Принцип роботи RGB світлодіоди ґрунтується на оптичному ефекту, що дозволяє отримати різноманітні колірні відтінки в результаті змішування трьох основних компонентів панелі. На одній матриці встановлені відразу три кристала. Для адаптації до різних умов існує кілька модифікацій виробів. Вони виготовляються із спільним катодом або анодом, а іноді і без таких (з шістьма основними висновками). Найчастіше світлова технологія використовується для оформлення рекламних щитів, декорування будівель, обрамлення мостів, пам'яток архітектури та інших конструкцій. Принцип роботи багатоколірного світлодіода ідентичний. Проте конструктивні особливості збільшують кінцеву вартість виробів і ускладнюють схему приєднання до електричної мережі.

Основні технічні характеристики

Існує кілька параметрів, що характеризують світлодіоди. Яскравість виражається в одиницях сили світла. Вона пропорційна величині проходить через напівпровідниковий елемент електричного струму. Із збільшенням напруги підвищується рівень яскравості. Сила струму може бути пульсуючим або постійною. Вона може коливатися в широкому діапазоні. Індикаторні прилади можуть мати силу струму 20 мА, а одноваттные аналоги – 300-400 мА. Довжина хвилі чинить вплив на колірну гаму. Її виміри виробляються в нанометрах. Межі хвилі зіставляються з базовими компонентами панелі необхідним чином. Колірна гамма випускається випромінювання змінюється при введенні в напівпровідниковий матеріал хімічно активних речовин.

Принцип роботи драйвера світлодіодів

Для отримання стабілізованого струму застосовується спеціальний пристрій, який вибирається з урахуванням наступних параметрів: певної потужності; напруги безпосередньо на виході; номінального струму. Встановлювані драйвери можуть бути лінійними або імпульсними. Перші з них покликані забезпечувати плавну стабілізацію електричного струму при мінливому напрузі на вході. Імпульсні прилади формують у вихідному каналі високочастотні поштовхи. Вони відрізняються високим коефіцієнтом корисної дії. Існують ще димируємі драйвери, що надають можливість налаштовувати яскравість світіння світлодіодів. Вдень інтенсивність випромінювання можна дещо зменшити, завдяки чому вдасться економити ресурс напівпровідникових виробів та електричну енергію.

Запитання

Тепер принцип роботи світлодіодів став зрозумілий, однак багато користувачі ставлять різні запитання по цій темі. Які параметри впливають на термін служби напівпровідникового приладу? Є твердження, що світлодіоди довговічні, але це не зовсім так. При високій силі струму в процесі експлуатації збільшується температура, тому більш потужні пристрої швидше виходять з ладу. Погіршується чи колірна передача світлодіодів з часом? При тривалій експлуатації приладів відбувається певна зміна відтінку, але в даний час не існує яких-небудь стандартів, що дозволяють виразити це в кількісному відношенні. Не є пристрою шкідливими для людського ока? Які-небудь відомості про негативний вплив напівпровідникових елементів на даний момент часу відсутні. Чому необхідно стабілізувати електричний струм, що проходить через LED-пристрій? Навіть невеликі зміни напруги здатні призвести до коливань яскравості. Яким чином можна отримати біле світло? Є три основні варіанти. Перший з них припускає змішання компонентів панелі із застосуванням технології RGB. Другий варіант передбачає нанесення три люмінофора безпосередньо на поверхню напівпровідникового приладу, що випромінює світло в ультрафіолетовому діапазоні. У третьому способі люмінофор наноситься на блакитний елемент.

В якості висновку

В рамках статті вдалося детально розглянути принцип роботи світлодіода. Для «чайників» (людей, що не розбираються в сучасних технологіях LED) вона стане, мабуть, цінним посібником. У ній зібрана найбільш повна інформація, що стосується будови і функціонування сучасних освітлювальних систем, які користуються високою популярністю.