КРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ СВЕТОДИОД ПОД МИКРОСКОПОМ И КИТАЙСКИЕ ПОДДЕЛКИ СВЕТОДИОДОВ МОЩНОСТЬЮ 3 ВТ

Светодиод относится к технологиям, без которых современную жизнь невозможно представить. Сегодня он правит светом и индикацией. 100 лет назад явление, на котором основан принцип работы LED, считалось неперспективным. Как и многие другие технологии, диодный свет долго “пролежал на заметке” в умах учёных. Лишь во второй половине прошлого века из этого получилось создать что-то стоящее. Спустя 30 лет возможности некогда случайно открытого явления были существенно расширены. Сейчас светодиод “на пике популярности”. И достойного конкурента пока что нет. Это значит, что и ближайшее будущее за ним. Поэтому грех не знать, как он устроен, работает и используется на практике.

Что такое светодиод?

Светодиод
— это полупроводниковый элемент, излучающий свет при прохождении через него электрического тока. Причём свет, если речь идет о видимом диапазоне, в очень узком его промежутке. Спектр излучения зависит от материала, из которого изготовлен кристалл светодиода. Методом подбора состава удалось “заставить” светодиод светить любым цветом радуги — от красного до фиолетового. Ультрафиолетовые и инфракрасные тоже есть. Последние вы можете увидеть на торце пульта дистанционного управления от вашего телевизора.

Наше зрение не видит сигналов, которые пульт передаёт телевизору. Однако увидеть их может каждый. Включите на своём смартфоне камеру, направьте в объектив светодиод пульта, и понажимайте на кнопки. Кстати, лет 20 назад гулял миф, что излучение пульта от телека такое же опасное, как лазерное оружие. На самом деле это бабушкины сказки из книжки “Не смотри долго телевизор — ослепнешь”.

Основное применение технологии — освещение и индикация. Светодиодные лампы известны своей небывалой экономичностью и долговечностью. L ED индикацию можно видеть на “каждом утюге” — она используется в гаджетах, детских игрушках, бытовой технике, транспорте. С помощью излучения, испускаемого полупроводником, передаются сигналы и информация. Тот же пульт от телека. А ещё может кто помнит — в первых телефонах до эпохи блютуза и вай-фая для передачи данных были предусмотрены ИК-порты.

Что такое LED?
LED — это аббревиатура от слов light emitting diode, что переводится дословно, как излучающий свет диод.

Поддельные светодиоды LED 3Вт

Сказ о том, как хитрый китаец обманул меня, прислав поддельные светодиоды на 3 Вт и о том, как отличить подделку от качественного светодиода 1Вт, 3Вт, 5Вт.

Как я и говорил в статье про разбор ДХО Круз
, прислал китаеза мне не то, что я у него заказывал. По злому ли умыслу, или по своему неразумению, для меня это загадка, но факт есть факт.

Пакет с поддельными светодиодами 3 Вт

На пакетике со светодиодами указаны номиналы оных, по напряжению от 3,2В до 3,4В, по току хитрый китаец указал 700 мА, и световой поток согласно сертификации RoHS. Хотя на сайте вражеского продавца, указаны номиналы от 3,0В до 3,2В, кому верить, не понятно, то ли пакетику бездушному, то ли продавцу вражескому?

После получения, я конечно же сразу припаял светодиоды к полученным в комплекте с ними радиаторам и подключил к лабораторному блоку питания. Но при напряжении 3,4В я не увидел заявленных 700мА, показания блока питания составили 440-450мА и светодиоды дико грелись. Полученные данные соответствовали приблизительно 1,5Вт потребляемой мощности. К сожалению, в спешке, я не придал значения этим двум фактам, т.к. диоды светились очень ярко, глаза резало и слепило! «Ослепленный» такой яркостью,я приступил к наклеиванию конструкции светодиод + теплоотвод, при помощи теплопроводного клея на алюминиевый профиль, приобретенный в строительном магазине. Профиль должен был решить проблему тепловыделения.

Крепление светодиода в зажиме для пайки феном

Китайский флюс, стружка олова и готовые светодиоды на радиаторе

Нагрев светодиода, без последствий для его здоровья, осуществлять не более 3 секунд!!!

Потребление девяти параллельных светодиодов

Но алюминиевый профиль проблемы не решил, ни при напряжении 3,4 В ни при напряжении 3,2 В, ни даже при напряжении 3,0В!!! Девять светодиодов, припаянные на радиатор, радиатором вклеены на теплоотвод, не охлаждались при комнатной температуре. При напряжении 3,3 В ток потребления составлял 2,06 А (параллельное включение). Почему такая разница с расчетным значением? При 3,3 В светодиоды по отдельности, потребляли по 350мА, а сейчас получается по 230мА?!?

Подробнее про замеры электрических характеристик поддельных светодиодов
описываю отдельно.

Поверхности плотно прижимаются, в стыке должно остаться минимум клея

Каждый элемент сохнет 30 минут. До полного застывания 6 часов

И «под занавес» некоторые из светодиодов, начали мигать, а потом и вовсе погасли! В расстроенных чувствах я кое как отковырял радиаторы светодиодов от профиля и занялся вскрытием одного светодиода. Рассматривая под микроскопом, я уже не ожидал ничего удивительного, НО и тут китаеза меня удивил.

Какие размеры и как выглядит под микроскопом разобранный кристалл светодиода
.

Статья посвящена исследованиям мощных светодиодов на основе излучающих кристаллов фирмы SemiLEDs, предназначенных для использования в освещении. Благодаря новой технологии, использующей перенос выращенных на стандартной подложке гетероструктур на другую основу, и оригинальной конфигурации данные кристаллы претендуют на особое место среди аналогов. Детальное взвешивание всех «за» и «против» проводилось в компании «Л. И. С. Т.» («Лаборатория Исследования Световых Технологий») на примере изучения деградационных характеристик светодиодов в течение 6000 ч наработки. Описаны и обоснованы методы измерений отдельных параметров. Показаны практические стороны применения светодиодов на основе кристаллов SemiLEDs. Полученные данные могут быть полезны разработчикам устройств светотехники, потребителям и дистрибьюторам продукта.

Недавно российский рынок пополнился быстро ставшим популярным еще одним вариантом мощных светодиодов белого цвета свечения с люминофорным покрытием на основе излучающих кристаллов производства американской фирмы SemiLEDs. Особая, отличная от других технология производства кристаллов с InGaN-гетероструктурой для мощных светодиодов стала основным фактором в формировании не только высоких энергетических характеристик выпускаемых светодиодов, но и цены на кристаллы. Светодиоды на редкость быстро прошли путь от тестирования до применения в серийных изделиях светотехники, такой как уличные или офисные светильники, не говоря уже об использовании их в декоративных целях. Причина тому очевидна: имея практически одинаковые с ведущими марками аналогов светотехнические характеристики, они стоят в несколько раз дешевле. Таким образом, быстро приобретая популярность, упомянутые светодиоды создают реальную конкуренцию дорогим брендам, разработчики которых, однако, уверены в своих силах и не сомневаются в правильности своего пути. Попытка разобраться в данной ситуации, предпринятая силами лаборатории «Л. И. С. Т.», поможет сделать правильный выбор потребителю светотехники, который обычно оказывается крайним звеном всех рыночных баталий и, «подсчитав цыплят по осени», частенько обнаруживает совершенно не такой результат своих трудов, на какой рассчитывал, сделав ставку на SemiLEDs.

Что же там светится?

Рис. 1. Схема конструкции излучающих кристаллов SemiLEDs

Одними из первых стали «упаковывать» кристаллы в стандартные корпуса тайваньцы из фирмы Helios Crew, и именно их продукция была официально представлена у нас в стране руководством SemiLEDs как образец применения кристаллов. Однако эстафету быстро подхватили другие производители, и теперь зачастую трудно определить историю создания того или иного образца с кристаллом SemiLEDs. Это накладывает свой отпечаток на качество светодиодов из-за применения соответствующих (или нет) люминофорных покрытий и соблюдения технологических особенностей монтажа кристаллов при «упаковке». В результате различные светодиоды с кристаллами одного типа или «бина» будут отличаться своими параметрами и деградационными характеристиками. Так, например, на рис. 2 показаны 4 светодиода с однотипными (как выявили измерения) кристаллами, но, как можно заметить, различным качеством и вариантами монтажа в корпус.

На первый взгляд, описанная технология производства кристаллов выглядит достаточно прогрессивной: все в предложенной конструкции последовательно и разумно, но какой бы красивой ни была идея, важен, прежде всего, результат ее реального использования. Проведенные исследования в данной статье умышленно будут описаны в виде объективного перечня полученных результатов измерений без обсуждения причин, по которым происходят, например, изменения параметров в процессе наработки. На основе большинства из них можно как просто сравнить новый продукт с аналогами, так и оценить предложенную SemiLEDs технологию уже с точки зрения готового продукта – светодиода.

За решеткой волк. На табличке написано: «заяц». Верят табличке не все

Описание параметров традиционно следует начать с представления сравнительной таблицы результатов, полученных при измерениях и заявляемых в спецификации. Таблица содержит данные по двум типам одноваттных светодиодов на основе кристаллов SemiLEDs, а также один (правый) столбец с идентичными характеристиками аналогичных светодиодов CREE для удобства сравнения. Можно заметить, что энергетические характеристики приборов очень близки: оптическая мощность излучения светодиодов практически равнозначна, что говорит о возможности формирования сходных фотометрических параметров на основе применяемых кристаллов. Также видно, что значение светового потока практически совпадает с заявленным параметром у светодиодов типа Р20-W, да и световая эффективность довольно высока (около 93 лм/Вт) и одинакова с CREE. Этот факт действительно может поставить все представленные светодиоды в один ряд по своим характеристикам, однако если обратить внимание на коррелированную цветовую температуру, то можно внести поправку в этот вывод. Измерения спектральных параметров излучения, результаты которых попали в таблицу, проводились в районе оптической оси светодиодов (в центральной части линз) на расстоянии полного свечения (расстоянии, на котором явно закончено формирование хода лучей имеющейся линзой). Совершенно понятно, что когда речь идет о коррелированной цветовой температуре (или каких-либо иных характеристиках цветности излучения), имеется в виду некая совокупность всего производимого источником излучения и его среднее значение. И, тем не менее, светодиод, обладающий очень широкой диаграммой (в нашем случае – более 140° по уровню 0,5 Ivmax), может рассматриваться с такого же широкого спектра углов наблюдателем со стандартными условиями МКО – углом зрения 1°. Соответственно, если колориметрические характеристики по диаграмме излучения будут существенно неравномерными, это обязательно заметит наблюдатель, и никакие объяснения об «интегральности» этого параметра будут уже неуместны.

О разбросах цветовых параметров светодиодов на основе кристаллов SemiLEDs будет сказано в следующей главе.

Следует добавить, что построенные на таких светодиодах светильники будут обладать большой неравномерностью по цветовым параметрам, потому как для формирования необходимых диаграмм в соответствии с требованиями обязательно будет применена оптика, катализирующая эти эффекты. Другими словами, часть пятна засветки окажется откровенно синей или сине-фиолетовой (как правило, центральная, где и были сделаны измерения ОСПЭЯ), а ближе к краям цвет может быть изменен до желтого или желтозеленого. При таких обстоятельствах также наверняка будут допущены ошибки при светотехническом проектировании. Если бы некоторые параметры со временем наработки светодиодов или светотехнических устройств на их основе не менялись, все было бы однозначно. Однако, как оказалось, эти изменения отнюдь не улучшают состояние с соответствием, обсуждаемым на примере таблицы. Понять это помогли исследования деградационных характеристик по применяемым в таких случаях лабораторией «Л. И. С. Т.» собственным методикам, результаты которых изложены в следующей главе.

Таблица. Сравнительная таблица параметров светодиодов с кристаллами SemiLEDs

Старость – не радость

Какими бы привлекательными ни были параметры светодиодов в начальный момент, до эксплуатации, самое интересное всегда происходит в процессе наработки: все экономические расчеты, светотехнические проекты, сроки окупаемости устройств светотехники и т. д. основываются на пророчествах производителей светодиодов о сроке их безотказной службы. И последние, в унисон с чиновничьим жонглированием цифрами, не скупятся на обещания в десятки отпущенных их детищу лет. Получается слаженный хор тех, кто поет именно то, что хотят от него услышать благодарные слушатели. Однако у светодиодов на этот счет свои мнения, и они не прощают плохого к ним отношения еще на стадии производства. Результаты измерений деградационных характеристик (иначе говоря — ухудшения параметров с течением времени) в той или иной мере приподнимают покров неизвестности над будущим исследуемых светодиодов, тем самым внося коррективы в планы и расчеты по их применению в конкретных условиях.

Однако здесь можно встретить еще большую разницу между значениями температуры по истечении контрольного времени, а также неприемлемое ее значение (около 14000 К), указывающеена то, что цвет свечения уже явно не является белым. Если связать эти результаты с изменением значений светового потока в те же отрезки времени в центральной области диаграммы (рис. 3в), где и происходило измерение ОСПЭЯ, то можно проследить непосредственную зависимость изменения потока и цветовой температуры: уменьшение потока вызвало в определенное время пропорциональное уменьшение температуры. Это утверждение иллюстрирует четкую и весьма информативную работу применяемой методики исследования характеристик изменения параметров во времени, предоставляя таким образом широкие возможности по определению причин этих метаморфоз, происходящих на уровне физики работы гетероструктуры. Следует также обратить внимание на изменение максимальной длины волны исходного синего – в какой-то момент времени она увеличилась почти на 4 нм. На фоне известных зависимостей, устанавливающих уход основных составляющих спектра излучения в длинноволновую область и определяющих этот процесс как нормальный, полученный сдвиг слишком масштабен. Обычно изменение пиковых длин волн в исследуемых гетероструктурах происходит лишь на доли нанометра за упомянутый промежуток времени. Поэтому данное обстоятельство указывает на явное присутствие неких изменений, произошедших в работе или режиме работы излучающего кристалла. Рис. 4в, д иллюстрируют сказанное с точки зрения производных величин спектра.

Отметим, что если бы на этих рисунках были также приведены данные по другим углам наблюдения (как на рис. 4б), то отражающая зависимость коррелированной цветовой температуры от угла излучения и времени наработки (рис. 4е) мнимая «прямая» линия на цветовом графике МКО-31 на рис. 4д была бы длиннее.

Рассмотренный в статье светодиодный продукт пока еще находится на начальных стадиях становления, отсюда и выявленные путем исследований недостатки в характеристиках. Однако эта разработка с уверенностью может служить хорошим примером одного из прогрессивных шагов в области полупроводникового освещения. А поскольку речь идет о применении новшества в промышленной технологии производства излучающих кристаллов, то есть некоторая надежда на то, что в нашей стране как продукт будут востребованы именно рассмотренные продукты, а не светодиоды на их основе. Может быть, для отечественного производителя полупроводниковых приборов это станет еще одним поводом развить производство светодиодов у себя, используя готовые кристаллы, и, таким образом, имея налаженный рынок потребления пластин или готовых отечественных кристаллов, мы подойдем вплотную к промышленной эпитаксии гетероструктур.

1. www.semileds.com
2. Айзенберг Ю. Б. и др. Справочная книга по светотехнике. М.: Энергоиздат. 1995.
3. Никифоров С. Г., Сушков В. П. Метод контроля потенциальной степени деградации характеристик светодиодов на основе твердых растворов AlGaInN // Материалы конференции «Нитриды галлия и алюминия». М ГУ. 2007. 

Обозначение светодиодов на принципиальных схемах

На принципиальных схемах все виды светодиодов обозначаются одинаково. Значок в виде треугольника с двумя выводами. Один выходит непосредственно из треугольника. Второй изображается через поперечную черту, которая обозначает минусовый вывод питания или катод. Чтобы не путать обычные диоды со светодиодами, у последних на значке есть изображение двух стрелочек, символизирующих световое излучение. При чтении схем следует иметь в виду, что электрический ток протекает от плюса к минусу, то есть светодиоды всегда подключаются в прямой полярности.

Куда и как течёт ток, учёные спорят до сих пор — от плюса к минусу или наоборот. Однако те, кто занимается в сфере электроники, условились, что ток течёт от плюса к минусу. Возможно, это и неправильно с точки зрения физики. Но зато такая чёткая условность позволяет не путаться в схемах, грамотно проектировать устройства и ремонтировать их во время эксплуатации.

Подключение светодиодов к различным источникам питания

Чтобы подключить светодиод к распространённым источникам питания, надо знать:

1. Напряжение источника питания.
2. Падение напряжения на светодиоде.
3. Номинальный ток светодиода.

Напряжение источника всегда должно быть больше падения напряжения на кристалле. Задача состоит в том, чтобы путём подбора резистивного сопротивления обеспечить номинальный ток в цепи. Логически она решается по следующему алгоритму:

1. Напряжение источника минус падения напряжения светодиода — получим “лишний” вольтаж.
2. Берём номинальный ток, который нам нужен в цепи — например, для белого светодиода это 20 мА или 0.02 А.
3. С помощью закона Ома считаем необходимое сопротивление — делим “лишний” вольтаж на нужный ток.
4. Собираем цепь — последовательно источник питания, резистор, светодиод (соблюдая полярность).
5. Радуемся, если светится и не сгорел.

В качестве примера рассчитаем схему подключения белого выводного светодиода к аккумуляторам 18650 и автомобильному.

Напряжение полностью заряженного аккумулятора 18650 — 4.2 В. Белому светодиоду надо 3 В. “ Лишний” вольтаж составляет 1.2 В. Делим его на номинальный ток 0.02 А и получаем сопротивление 60 Ом.

На клеммах заряженного автомобильного аккумулятора вне бортовой сети обычно 12.6 В. Здесь “лишний” вольтаж 9.7 В. Делим на ток 0.02 А и получаем сопротивление 485 Ом.

Аналогично можно рассчитать схему для других светодиодов и источников питания.

Как правильно подключить любой светодиод смотрите в видео

Как правильно подключить любой светодиод? Питание, формула расчёта для светодиодов.

Принципы питания светодиодов

Запитать светодиод куда сложнее, чем лампочку накаливания. Во-первых, на корпусах LED нет никаких обозначений относительно номинального напряжения и тока. Во-вторых, они очень чувствительны к полярности питания. В-третьих, если не ограничивать ток, идущий через кристалл, последний быстро перегревается и моментально сгорает.

Характеристики LED

Чтобы подключить светодиод к питанию, сначала надо выяснить следующие его параметры:

1. Падение напряжения
   . Зависит от того, из каких материалов сделаны переходы кристалла. Чем больше длина волны излучения, тем выше падение напряжения. Начиная с инфракрасных, и заканчивая ультрафиолетовыми светодиодами — падение напряжения варьируется от 1.5 до 3.2 В. Узнать этот параметр можно в специальных таблицах.
2. Номинальный ток
   . Любой светодиод рассчитан на какой-то определённый ток. Маломощные светятся при токе 10-20 мА. Есть и такие, которые потребляют до 80 мА. Данную характеристику тоже следует искать в таблицах.
3. Мощность
   . Для источников света различают две мощности. Одна измеряется ваттами, вторая люксами. Электрическую мощность можно узнать, перемножим падение напряжения на номинальный ток. Световую — по справочным таблицам.
4. Полярность
   . У двухвыводных светодиодов питание подаётся на анод и катод. Полярность обычно показана на всех моделях. Например, у индикаторных плюсовая ножка длиннее, а со стороны минуса на линзе есть фаска. Определить минус можно, если посмотреть на арматуру светодиода — минусовая шире, и на ней расположен кристалл. На SMD обычно есть метка в виде точки или треугольничка — они нанесены со стороны минуса.
5. Цвет
   . Оптические параметры зависят от типа и мощности светодиода. Определить их можно по маркировке или “по факту”.

Узнать параметры новых светодиодов не составляет никаких проблем — они указываются продавцом в описании товара. Характеристики SMD компонентов можно вычислить, если измерить длину и ширину их корпуса. Так вы узнаете маркировку, по которой в таблицах найдёте все данные.

Как запомнить термины “анод” и “катод”?
О них нам толкуют с самой школы, но многие не могут запомнить — какой из них плюс, а какой минус. Есть один верный способ, который поможет раз и навсегда научиться различать эти два термина и больше никогда их не путать. Даже если вы далеки от физики и радиоэлектроники. В слове “анод” 4 буквы. Столько же в слове “плюс”. В слове “катод” их 5, как и в слове “минус”. Соответственно — анод это плюс, а катод это минус.

Питание одного светодиода

Для подключения одного светодиода нужно только ограничить ток, который пойдёт через него при подаче питания. Делается это при помощи резистора и закона Ома. Кроме того, не забывайте о полярности — плюс должен идти на анод, а минус на катод. Как рассчитать резистор для светодиода, рассказано ниже.

Питание светодиодных сборок

Светоизлучающие диоды можно собирать в группы по несколько штук, получая за счёт этого больше света. Подключать их можно тремя способами:

1. Последовательно.
2. Параллельно.
3. Смешанным способом.

При последовательном подключении элементы соединяются друг с другом противоположными выводами. Плюс к минусу. В итоге свободными останется анод первого компонента, и катод последнего. На эти выводы подаётся питание. При этом надо учитывать, что падения напряжений всех включённых в цепь светодиодов складывается. А вот ток в цепи везде одинаковый, и не должен быть большим, чем тот, на который рассчитаны детали. Последовательное подключение позволяет запитать нагрузку, напряжение которой ниже, чем у источника питания. Например, 3-вольтовые светодиоды к 12-вольтовому аккумулятору.

При параллельном подключении все светодиоды соединяются одноимёнными выводами. Получаются две общие точки — положительная и отрицательная. На них и подаётся питание. При параллельном подключении падение напряжения всей сборки будет равным номиналу каждого элемента. А вот токи, идущие через все компоненты, складываются.

При смешанном подключении используется последовательное и параллельное подключение. Это позволяет получить свет нужной яркости и подогнать нагрузку под характеристики источника питания.

Устройство светодиода

Чтобы понять принцип работы чего-либо, всегда надо начинать с изучения устройства. Классический выводной маломощный светодиод (индикаторный) состоит из следующих элементов:

1. Полупроводниковый кристалл.
2. Отражатель.
3. Проволочный вывод.
4. Металлическая арматура.
5. Корпус-линза из светопропускающего материала.
6. Выводы для подключения питания (ножки).

Главная “магия” происходит в полупроводниковом кристалле. Он изготавливается из кремния, галлия, индия, бора и их комбинаций в различных пропорциях. Поскольку излучаемый полупроводником свет довольно слабый, он собирается и направляется в нужную сторону отражателем. Металлическая арматура, ножки и проволочный “мостик” служат для подачи электрического тока на кристалл.

Из чего состоит кристалл? Он представляет собой p-n переход. Физически это область соприкосновения двух полупроводников с разными типами проводимости. Один из них обладает дырочной или положительной проводимостью, а ответный — электронной или отрицательной. Аналогичное устройство используется во многих полупроводниковых радиодеталях — обычных диодах, стабилитронах и, конечно же, в царе всех электронных компонентов — транзисторе.

Другие виды светодиодов имеют схожий принцип построения, хоть и отличаются формой, размерами, областью применения. Например, в RGB есть целых три кристалла, излучающие красный, зелёный и синий цвета. Чтобы ими можно было управлять, имеется четыре вывода (один общий и по одному на каждый из кристаллов). Мощные COB светодиоды — это целая матрица из кристаллов на алюминиевой подложке, залитых люминофором.

В целом же, независимо от типа светодиода, его устройство базируется на полупроводниковом кристалле, к которому подведено питание. Отличия заключаются только в форме, материале изготовления электронно-дырочного перехода и вольт-амперной характеристике. Последняя влияет на силу свечения, потребляемую мощность и требования к драйверу (устройство или схема для стабилизированного питания кристалла).

Больше об устройстве светодиода можно узнать из видео

Устройство светодиода

История изобретения и развития технологии LED

Как и многие другие технологии, световое излучение полупроводников было обнаружено случайно. В ходе экспериментов. Его первооткрывателем считается британец Генри Раунд. В 1907 году он увидел слабое свечение при протекании электрического тока через соединение металла и карбида кремния. На катоде он отметил излучение света жёлтого, зелёного и оранжевого цветов.

Через 16 лет аналогичное явление обнаружил советский физик Олег Лосев. Он тоже не преследовал цели получить источник света, так как работал над детекторами радиоволн. В 1927 году этот эффект был запатентован под определением “световое реле”. В 1942 году Лосев умер, а его открытие на долгое время было забыто.

Стоит отметить, что учёный явление открыл, но научного объяснения ему не нашёл. А вот в перспективность выявленного им излучения он верил. Физик считал, что этот принцип в будущем будет использоваться в компактных источниках света с низковольтным питанием.

Следующие 20 лет учёным было не до света. Тем более, что в те годы с этим отлично справлялась лампа накаливания. Лишь в 1962 году американцы, можно сказать, заново открыли то, о чём 40 лет назад говорил Лосев. Технологию изучили более подробно, развили и начали серийное производство первых светодиодов.

Сначала светодиоды были только красные и жёлтые. Светили они тускло. Стоили очень дорого — 200 долларов за штуку. Чуть позже технологию освоили ещё лучше. Стоимость изделий удалось снизить, и светодиоды массово стали появляться в роли индикаторов на различной технике тех лет. Например, в карманных калькуляторах известной фирмы HP.

То, что мы сегодня называем SMD светодиодами, появилось в 1983 году. Разработки и массовое производство организовала другая известная “калькуляторная” фирма — Citizen.

Рывок ЛЕД технологии приходится на девяностые годы прошлого века, которые у нас принято называть лихими. Сделали его японцы. Было освоено производство недорогих светодиодов практически всех цветов — от красного до синего. Белые тоже появились в этот период. Они были изготовлены на основе синих с применением люминофорного покрытия.

В начале двухтысячных годов белые светодиоды начали использоваться в гаджетах — для эффективной подсветки жидкокристаллических дисплеев. Этот принцип дожил и до наших дней — LED подсветка есть в смартфонах, телевизорах, ноутбуках, планшетах, часах. Причин тому две — компактность и крайне низкое энергопотребление, что особенно важно для мобильных устройств.

Разновидности

Полупроводниковые источники света классифицируются по назначению и типу. В зависимости от того, с какой целью они используются, различают:

1. Осветительные.
2. Индикаторные.
3. Декоративные.
4. Узкоспециализированные.

А вот какие бывают светоизлучающие диоды по типу:

• маломощные выводные;
• RGB;
• инфракрасные;
• ультрафиолетовые;
• SMD;
• COB;
• Филаментные;
• OLED.

Рассмотрим их особенности, отличия, сферы использования.

Маломощные индикаторные светодиоды

Простейшие светодиоды DIP — полупроводниковый кристалл заключён в линзу из светопропускающего материала. Для подачи питания имеют длинные выводы — анод и катод (плюс и минус). Светят сравнительно слабо, а потому используются в основном для индикации. Начинающие радиолюбители внедряют их в свои первые схемы. В карманных фонариках тоже встречаются. Среди выводных светодиодов есть супер яркие. Собрав из них группу, можно добиться приличной яркости.

RGB светодиоды

Выпускаются в таком же форм-факторе, что и предыдущие. Визуально отличаются наличием четырёх выводов — один катод и три анода. Внутри линзы на индивидуальных арматурах установлены три кристалла из разных материалов. Если подавать питание на каждый из них отдельно, то такой светодиод будет светиться красным, синим или зелёным. Если на все кристаллы подать одинаковый ток, получится белый свет (результат смешения красного, синего и зелёного). Регулируя плавно ток каждого кристалла, можно получать практически любые цвета радуги.

Инфра и ультра светодиоды

Инфракрасные и ультрафиолетовые светодиоды не излучают видимого света. Устроены они точно так же, как и обычные выводные. Только для изготовления п-н переходов используются материалы, которые излучают инфракрасные или ультрафиолетовые волны при протекании через них электрического тока. Инфракрасные светодиоды часто применяются для передачи сигналов на расстоянии. Ультрафиолетовые используются в фитолампах, сушилках, машинках для проверки подлинности денежных купюр.

SMD светодиоды

Кристаллы находятся на теплоотводящей подложке, не проводящей ток. Сверху полупроводник заливается люминофором, который служит для получения света нужной цветовой температуры. Также слой люминофора способствует рассеянию излучения. Выводы для подключения питания короткие. Устанавливаются такие светодиоды поверхностным монтажом. Увидеть их можно в светодиодных лентах, энергосберегающих и автомобильных лампочках. Есть как осветительные модели, так и индикаторные. В СМД исполнении выпускаются также ультрафиолетовые, инфракрасные и разноцветные варианты. Маркировка светодиодов для поверхностного монтажа — это четыре цифры, обозначающие длину и ширину их корпуса.

COB матрицы

Chip On Board — это матрица из полупроводниковых кристаллов, соединённых последовательно, параллельно или смешанным способом. Расположены на теплоотводящем материале-подложке и залиты люминофором. Как правило, имеют токоограничивающие элементы в SMD исполнении. Для питания предусмотрены два вывода. Такие элементы предназначены для получения яркого направленного света. Используются в мощных тактических фонарях
, прожекторах
. От чего зависит яркость свечения светодиода? Чем больше кристаллов на плате, тем ярче излучаемый матрицей свет. Конечно, при этом, увеличивается потребляемый ток и электрическая мощность.

Filament LED

Филаментные светодиоды — это сборки последовательно соединённых кристаллов, помещённых в трубку из люминофорного материала. Во включённом состоянии такая “нить” имитирует тело накала, как в лампах накаливания. Собственно, используются они для производства таких ламп. Они дают тёплый мягкий свет, потому их часто применяют при оформлении интерьеров в стилях ретро и лофт. Отличить такую лампочку для светильников от лампы накаливания можно только во выключенном состоянии — сквозь колбу видна длинная “нить”, которая заметно толще классической спирали накала.

OLED

Органические светодиоды, которые применяются для производства современных цветных дисплеев. Имеют достаточно сложное устройство и состоят из анода, подложки, катода и полимерной прослойки. Токопроводящий слой выполнен из органических материалов. Увидеть такие светодиоды затруднительно, так как они микроскопические. Однако смотрим мы на них ежедневно, так как они есть в телевизорах, мониторах, смартфонах, смарт-часах.

Как работает светодиод?

В p-n переходе, который реализован в любом светодиоде, есть носители электро заряда — электроны и дырки. Когда через него протекает электрическая энергия, носители противоположных зарядов двигаются навстречу друг другу, за счёт чего происходит их рекомбинация. Результат этого процесса — излучение фотонов света. Последний собирается отражателем, и направляется через линзу и люминофорный материал наружу.

От чего зависит цвет светодиода? Спектр излучения у них очень узкий. Цвет свечения или длина волн испускаемых фотонов зависит от того, из каких материалов изготовлены элементы полупроводникового перехода. Подбирая комбинации этих материалов, можно добиться любой длины волны, начиная с ультрафиолета и заканчивая инфракрасным излучением.

В некоторых типах светодиодов цвет свечения достигается за счёт люминофора — материала, который пропускает свет, меняя длину его волны. Так работают многие белые ультраяркие модели. Изначально кристалл в них излучает синий свет, а после прохождения через люминофор получается белый. Путём подбора состава люминофора получают светодиоды, светящие светом разной цветовой температуры — от тёплого красно-оранжевого до дневного белого с синеватым оттенком.

Базовый принцип работы трёхцветных светодиодов абсолютно такой же. Белый и любые другие оттенки получают за счёт управления силой тока через красный, синий и зелёный кристаллы. Делать это можно как вручную, так и с помощью заранее прописанной программы. Это широко применяется в различных умных подсветках, разноцветных светильниках и РГБ-лентах.

Различия и сходства с обычным диодом

У диода и его светящегося собрата есть несколько характерных сходств и различий. В первую очередь это касается способности пропускать электрический ток только в одном направлении. Именно поэтому для питания светодиодов нужен источник постоянного тока. Для подключения к источнику переменного тока используются выпрямляющие схемы. Кстати, из его собратьев — обычных диодов.

Второе сходство заключается в том, что для элементов данного типа применяется понятие — падение напряжения. Это означает, что на диоде и светодиоде подаваемое напряжение источника питания снижается ровно на величину, равную падению напряжения конкретной модели полупроводника. Знание этого сходства позволяет правильно проверить светодиод на работоспособность, а также безопасно подключить его к любому источнику питания.

Что происходит с диодами и светодиодами при подаче на них питания неправильной полярности? Такое часто бывает на практике, поскольку выводы этих элементов не подписаны (хотя различия есть, и о них будет рассказано ниже). При переполюсовке происходит то, что специалисты называют пробоем диода. Физически это означает разрушение электронно-дырочного перехода и потерю работоспособности.

У диода и светодиода есть ещё один близкий сородич, которого начинающие радиолюбители часто путают с первым. Это стабилитрон. Компонент предназначен для получения определённого стабильного напряжения. Что примечательно, работает стабилитрон в постоянном режиме пробоя. При этом деталь не портится, а наоборот, так выполняет свою работу в схеме. В отличие от своих сородичей подключается стабилитрон в обратной полярности, то есть, наоборот.

Очевидным различием между диодом и светодиодом является способность излучать свет. Диод этого делать “не умеет”. Разве что, если подать на него напряжение, существенно превышающее номинал. Тогда и диод засветится. Только ненадолго, и с дымком.

Главные плюсы технологии LED

Как у источника искусственного света у светодиодов немало преимуществ:

• низкое энергопотребление;
• высокая светоотдача;
• возможность получения света любого цвета и температуры;
• отсутствие стеклянных компонентов, которые могут разбиться;
• стойкость к вибрациям;
• отсутствие в составе токсичных веществ (вроде ртути в люминесцентных лампах);
• небольшие размеры;
• малый вес;
• большой ресурс.

Все эти достоинства сделали технологию лидеров в таких областях, как освещение, индикация и декор.

“Проблемы” технологии

Тем не менее, есть и решаемые недостатки:

1. Однополярность
   — светодиод работает только на постоянном токе прямой полярности, перепутав которую его легко сжечь. Решается проблема наличием ровных рук, знаний и расчёта.
2. Сложность плавной регулировки яркости
   — для этих целей плохо подходят линейные регуляторы наподобие диммеров для ламп накаливания. Чтобы управлять яркостью полупроводника, целесообразнее применять широтно импульсную модуляцию (ШИМ).
3. Высокая чувствительность к силе тока
   — если её превысить, светодиод моментально сгорает. Поэтому подключаются они всегда через токоограничивающие элементы — резисторы.
4. Склонность к деградации из-за нагрева
   — несмотря на то, что светодиоды преобразуют электроэнергию в свет раз в 7 эффективнее, чем лампа накаливания, они тоже сильно нагреваются во время работы. Обусловлено это микроскопическими размерами кристалла. Решение проблемы — установка мощных светодиодов на теплоотводящие материалы.
5. Узкий пучок света
   — кристалл вместе с отражателем представляют собой “однобокое светило”, которое освещает сектор, максимум, в 120 градусов. Эта проблема обусловлена спецификой устройства. Решается несколькими способами — линзами, рассеивающими колпаками.

Ещё стоит отметить не очень высокий индекс или коэффициент цветопередачи. Эта проблема обусловлена тем, что полупроводник излучает свет узкого спектра. Та же лампа накаливания в этом плане намного лучше. Но светлые умы работают над этим и, надо признать, добились немалых успехов. Сейчас качественные светодиодные светильники могут похвастаться индексом цветопередачи в пределах 80-90. Такой уровень принято считать приличным.