Чтобы понять, что такое светодиод – сначала следует разобраться с его общепринятым обозначением, на английском языке представленном как LED. В переводе это дословно означает «излучающие маленькие светодиоды». С технической точки зрения они представляют собой полупроводниковые приборы, преобразующие электрический ток в видимое световое излучение. Это простейшее изделие по своему виду и устройству заметно отличается от типовых осветительных приборов: ламп накаливания и подобных им.
История возникновения
Устройство и принцип работы светодиодных излучателей проще понять, если ознакомиться с предысторией их возникновения. Впервые это излучающее изделие появилось на свет в 1962 году в виде монохромного диода красного свечения. Несмотря на целый ряд недостатков, технология его изготовления была признана перспективной. Спустя десятилетие после демонстрации красного образца широкой публике были представлены зеленые и желтые светодиоды. Из-за невысокой отдачи эти изделия в основном применялись в пределах дома в качестве индикаторов на лицевых панелях бытовых электронных приборов.
Со временем интенсивность свечения увеличили в несколько раз, а в 90-х годах прошлого века удалось сделать образец со световым потоком, равным 1 люмену. В 1993 году японским инженером С. Накамурой был создан первый в истории синий диод, отличающийся повышенным уровнем светимости. С этого момента их разработчики научились получать любой цвет видимого спектра, включая белый.
Благодаря замечательным характеристикам светодиодных изделий, они со временем составили серьезную конкуренцию привычным для многих лампочкам накаливания.
Начиная с 2005 года, промышленностью освоен выпуск белых светодиодов с силой светового потока до 100 лм и более. Кроме того, научились изготавливать осветительные элементы с различными оттенками белого («теплое», «холодное» и другие свечения).
Устройство и принцип формирования излучения
Чтобы понять, как устроен светодиод – прежде всего, необходимо учесть ряд моментов, касающихся его конструкции:
- основой светодиодного элемента является полупроводниковый кристалл, пропускающий ток только в одну сторону;
- классическое устройство светодиода предполагает наличие изолирующей подложки;
- стеклянный корпус диода надежно защищает кристалл от сторонних воздействий и одновременно является рассеивающим элементом;
- с обратной стороны корпуса имеются два контакта, к которым подводится электрическое питание светодиода.
Для повышения ресурса срабатываний излучающего прибора, пространство между рассеивающей линзой и самим кристаллом заполнено прозрачным силиконовым составом.
В строении некоторых светодиодов предусматривается особая алюминиевая подложка, являющаяся основанием прибора и одновременно отводящая от него излишки тепла.
Принцип работы светодиода проще понять, исследовав полупроводниковый переход, который профессионалы называют электронно-дырчатым. Его название связанно с различным характером основных носителей в пограничном слое двух структур. В одном полупроводнике на границе контакта имеется избыток электронов, а в смежном с ним материале – излишки дырок. В процессе изготовления полупроводникового перехода они проникают в смежный слой, образуя потенциальный барьер, препятствующий их обратному смещению. От ширины перехода зависит величина прямого напряжения на светодиоде при его работе.
При подаче на диод потенциала заданной полярности и величины, формируемого источником постоянного тока, удается сместить переход в нужном направлении. Это приведет к его открыванию и появлению встречного потока противоположно заряженных частиц. При их столкновении в границах перехода испускаются кванты световой энергии – фотоны. В зависимости от частоты следования этих импульсов излучение приобретает определенную цветовую окраску.
От чего зависит цвет светодиода
При изготовлении светодиодов применяются различные типы полупроводниковых материалов, выбор которых определяет излучаемый ими цветовой оттенок.
Умение различать цвет – врожденное свойство человеческого глаза, способного с большой точностью улавливать его градации. Оно неразрывно связано с длиной волны квантового излучения, которое несут с собой электромагнитные волны определенной частоты. В данном случае световые импульсы формируются на границе полупроводникового перехода светодиода.
При исследовании свойств различных полупроводников на ранней стадии их изучения учеными были выявлены такие материалы, как фосфид галлия, а также тройные соединения AlGaAs и GaAsP. При их использовании удавалось получать красное и желто-зеленое излучение. Сегодня с целью получения различных сочетаний цветов применяются более сложные по структуре комбинации алюминия с индием и галлием (AllnGaP) или индий-нитрид галлия (InGaN). Эти полупроводники способны выдерживать значительные по величине токи, что позволяет получать от них высокую световую отдачу.
Техника смешения цветов
Современные диодные ленты и светодиодные модульные кластеры способны выдавать различные оттенки светового диапазона. С учетом того, что один переход формирует монохромное излучение, для создания многоцветного свечения потребуется многокристальное устройство. Это сложное изделие работает подобно монитору компьютера, на котором удается получить практически любой оттенок (для этого используется специальный модуль RGB).
Воспользовавшись этим принципом формирования оттенка, удалось получить белое свечение, широко применяемое в светодиодных прожекторах, например. Для этого все три исходных или базовых цвета смешивались в равной пропорции.
Получить его также удается соединением диодных структур ультрафиолетового или синего излучения с желтым покрытием люминофорного типа.
Особенности изготовления светодиодов
Чтобы понять, как делаются светодиоды, потребуется ознакомиться с особенностями структуры в части используемых при изготовлении технологий. Поэтому при рассмотрении специфики их производства в первую очередь учитываются следующие моменты:
- конкретный способ формирования цвета излучения (матричный или люминофор);
- на скольких вольт бывают рассчитаны светодиоды, и какой по величине ток они выдерживают;
- какая из технологий позволяет получить лучшее качество свечения и обходится дешевле.
Изготовление чипов по матричной схеме обойдется производителю дороже, что окупается высоким качеством излучения. К недостаткам люминофоров относят низкую светоотдачу, а также не совсем чистый цвет излучения. Кроме того, они имеют меньший рабочий ресурс и чаще выходят из строя.
При изготовлении простых индикаторных диодов с прямым напряжением 2-4 Вольта их переход рассчитывается на небольшие токи (до 50 мА). Для создания полноценных осветительных приборов и светодиодных мостовых схем потребуются устройства с большими токовыми показателями (до 1 Ампера). Если в одном модуле диоды соединяются в последовательную цепочку – суммарное напряжение на их переходах достигает 12 или даже 24 Вольт. При изготовлении изделий плюс у каждого светодиода помечается особым образом (на соответствующей ножке делается небольшой выступ).
Области применения и управление свечением
Благодаря разнообразию модификаций светодиодные изделия широко применяются в различных областях:
- при изготовлении энергосберегающих ламп, устанавливаемых в типовую люстру, например, или в обычное настенное бра;
- для использования в качестве осветителей в широко распространенных миниатюрных фонариках, а также в более габаритных конструкциях типа «кемпинговые туристические лампы»;
- при необходимости декоративной подсветкиа помещений в виде длинных лент с различной цветовой гаммой.
Их применение обусловлено степенью устойчивости прибора к воздействию климатических факторов, оцениваемой классом защиты изделия. В зависимости от исполнения они используются только внутри помещений либо способны работать на открытых пространствах (в качестве оформления рекламных щитов или светодиодного дождя, в частности).
Управлять уровнем светимости в обычном светильнике или люстре можно различными способами. Для этого чаще всего применяются особые электронные схемы, позволяющие модулировать амплитуду и другие параметры световых импульсов. Для удобства работы с бытовым оборудованием такой модуль изготавливается в виде типового пульта управления.
