Светодиоды: открытие, принцип действия и применение

Светодиоды: открытие, принцип действия и применение

Светодиоды - это устройства, которые излучают свет при прохождении через них электрического тока. Они были изобретены в 1907 году английским физиком Оуэном Уилсоном.

Принцип действия светодиодов

Светодиоды работают на основе эффекта внутреннего фотоэффекта. Когда электрический ток проходит через светодиод, электроны из одного материала переходят на более высокий энергетический уровень в другом материале, излучая фотоны света при этом.

Применение светодиодов

Светодиоды используются во многих областях, включая освещение, дисплеи, светодиодные индикаторы и светодиодные лампы. Они имеют множество преимуществ по сравнению с другими источниками света, такими как лампы накаливания и люминесцентные лампы.

Преимущества светодиодов

Светодиоды имеют большую эффективность, используя меньше энергии, чем другие источники света.

Светодиоды имеют более длительную жизнь, чем другие источники света.

Светодиоды выделяют меньше тепла, чем другие источники света.

Светодиоды могут быть изготовлены в различных цветах и температурах цвета.

Светодиодные лампы

Светодиодные лампы - это лампы, которые используют светодиоды в качестве источника света. Они имеют множество преимуществ по сравнению с другими типами ламп, такими как лампы накаливания и люминесцентные лампы.

Преимущества светодиодных ламп

Светодиодные лампы имеют более длительную жизнь, чем другие типы ламп.

Светодиодные лампы используют меньше энергии, чем другие типы ламп.

Светодиодные лампы выделяют меньше тепла, чем другие типы ламп.

Светодиодные лампы могут быть изготовлены в различных цветах и температурах цвета.

Светодиодные индикаторы

Светодиодные индикаторы - это устройства, которые используют светодиоды для индикации определенных состояний. Они могут использоваться в различных областях, включая автомобильную промышленность, электронику и медицину.

Преимущества светодиодных индикаторов

Светодиодные индикаторы имеют большую эффективность, используя меньше энергии, чем другие типы индикаторов.

Светодиодные индикаторы имеют более длительную жизнь, чем другие типы индикаторов.

Светодиодные индикаторы могут быть изготовлены в различных цветах.

Светодиодные дисплеи

Светодиодные дисплеи - это дисплеи, которые используют светодиоды в качестве источника света. Они могут использоваться в различных областях, включая телевидение, компьютеры и мобильные устройства.

Преимущества светодиодных дисплеев

Светодиодные дисплеи имеют более высокое контрастное соотношение, чем другие типы дисплеев.

Светодиодные дисплеи имеют более быструю откликаемость, чем другие типы дисплеев.

Светодиодные дисплеи используют меньше энергии, чем другие типы дисплеев.

1. "LED Basics" - Philips Lighting.

2. "LED Lighting: The Benefits" - Energy Saving Trust.

3. "LED Indicators" - Mouser Electronics.

4. "LED Displays" - LG Electronics.

Тип лампыЭффективностьПродолжительность жизниТепловая эмиссияЦвет и температура цвета Лампа накаливанияНизкаяНизкаяВысокаяФиксированный Люминесцентная лампаСредняяСредняяСредняяФиксированный Светодиодная лампаВысокаяВысокаяНизкаяИзменяемый

Большая эффективность

Более длительная жизнь

Меньшее теплование

Изменяемый цвет и температура цвета

Связанные вопросы и ответы:

Что такое светодиоды

Она насчитывает всего чуть больше ста лет. Первое упоминание о свечении диода относится к 1907 году. Английский физик Генри Раунд заметил разноцветное излучение при течении электричества через соединения карбид кремния-металл. Такое явление получило название электролюминесценция.

Спустя почти двадцать лет в 1923 году российский ученый Олег Лосев проводил подобные эксперименты в Нижнем Новгороде. Физик обнаружил свечение на месте контакта карбида кремния и стальной проволоки. Лосев опубликовал результаты своих исследований, и обосновал, что электролюминесценция наблюдается именно на границе соприкосновения разнородных материалов. Теоретическую базу под открытие подвести не смогли, и дальнейшего развития оно не получило. Хотя Лосев предсказал использование электролюминесценции для создания маломощных и миниатюрных источников света. Физик даже придумал конструкцию светового реле, но дальше исследования не продолжились.

В 1961 году, еще через сорок лет, американские изобретатели Д. Р. Байард и Г. Питтман придумали технологию выпуска светодиодов из арсенида галлия. В 1962 году они получили патент, и начался промышленный выпуск. Однако, их led-элемент испускал инфракрасное излучение, то есть был не видим человеческому глазу.

Но в том же 1962 году американский физик Ник Холоньяк изобрел красный светодиод. В 1971 году его соотечественник Жак Панков придумал синий. А в 1972 Джордж Крафорд открыл желтый led.

Впрочем, до семидесятых годов XX века светоизлучающие диоды оставались очень дорогими. Фирма «Монсанто» первой в мире удалось организовать массовое производство led в качестве индикатора.

В семидесятых годах группе советских ученых под начальством Ж. Алферова удалось синтезировать неизвестные до этого полупроводниковые вещества. Их начали получать на предприятиях и в лабораториях. А на основе этих соединений запустили серийное изготовление светодиодов.

В 1983 году Citizen Electronics придумала и внедрила на своих предприятиях светодиоды плоской конструкции (SMD).

В девяностые годы японские ученые И. Акасаки, Х. Амано и С. Накамура придумали, как значительно удешевить производство синих led. Технологию успешно опробовала фирма Nichia с 1993 года. А с 1996 года они начали изготовление белых led-элементов, чей свет получается из сочетания красного, синего и зеленого. В дальнейшем на базе открытия японских ученых стали стремительно развиваться новые методы производства световой техники: лампочек, дисплеев с подсветкой и других приборов.

В 2003 Citizen Electronics придумали новейшую технологию производства СОВ (Chip-On-Board). Она заключается в монтаже полупроводникового элемента на подложку при помощи специального непроводящего клея.

Очевидно, что история светоизлучающих диодов только набирает обороты, а технологии становятся все более совершенными.

Для создания разных цветов потребовалось много времени.

Источник: https://otoplen-dom.ru/novosti/svetodiody-vsyo-o-napryazhenii-i-moshchnosti

Как работают светодиоды

Как и любой диод, светодиод включает в себя один полупроводниковый p-n-переход (электронно-дырочный переход). С помощью процесса, носящего название легирование, материал n-типа обогащается отрицательными носителями заряда, а материал р-типа – положительными носителями заряда. Атомы в материале n-типа приобретают дополнительные электроны, а атомы в материале р-типа приобретают дырки – места на внешних электронных орбитах атомов, в которых отсутствуют электроны.

При приложении к диоду электрического поля электроны и дырки в материалах p- и n-типа устремляются к p-n-переходу. Когда носители заряда подходят к p-n-переходу, электроны инжектируются в материал р-типа. При подаче отрицательного напряжения со стороны материала n-типа через диод протекает электрический ток в направлении от материала n-типа в материал р-типа. Это называется прямым смещением.

Когда избыточные электроны переходят из материала n-типа в материал р-типа и рекомбинируют с дырками, происходит выделение энергии в виде фотонов, элементарных частиц (квантов) электромагнитного излучения. Все диоды испускают фотоны, но не все диоды испускают видимый свет. Материал, из которого изготавливается светодиод, выбирается таким образом, чтобы длина волны испускаемых фотонов находилась в пределах видимой области спектра излучения. Разные материалы испускают фотоны с разными длинами волн, что соответствует разным цветам испускаемого света.

Пучок видимого света, испускаемого светодиодом, является холодным, но так как в светодиодах имеются потери, то на p-n-переходе генерируется тепло, иногда достаточно большое. Ограничение температуры p-n-перехода с помощью правильно сконструированного теплоотвода и других методов контроля температуры является критичным для обеспечения нормальной работы светодиода, оптимизации его светового потока и повышения срока службы.

В каких областях применяют светодиоды

15:19

Благодаря своим характеристикам, светодиоды сегодня используются повсеместно. Перед тем, как войти в нашу жизнь и стать вариантом для интерьерного освещения, светодиодные лампы стали устанавливать тут и там. Причины ясны - это эффективный и безопасный источник света, который при этом служит не один год. А качество освещения при этом не уступает, а в некоторых случаях даже превосходит другие варианты освещения. Так где сегодня используются светодиоды?
Подсветка для ноутбука и другой бытовой техники. Американский Apple воспользовался возможностями светодиодов и разместил их под дисплеем, благодаря чему дисплей отображает картинку наилучшим для восприятия образом. Различные индикаторы телевизора, плеера и других бытовых приборов, свидетельствующих о включении в сеть, также подсвечиваются с помощью светодиодом.
Светофоры и знаки дорожного движения. Уже редко где можно встретить неяркие старые светофоры. Большую часть из них заменили светодиодными технологиями, которые заметны издалека. Также и дорожные знаки стали оформлять светодиодами, чтобы особо важные указатели было видно в любое время суток с дальнего расстояния.
Уличное светодиодное освещение изменило представление об экономии средств за электроэнергию. Муниципалитетам сегодня гораздо выгоднее установить светодиодные фонари, чем продолжать обслуживать старые технологии.
Для качественного освещения в производственных цехах светодиоды сегодня стоят на первом месте. Именно с их помощью удается равномерно распределить свет по всей территории, создав оптимальные условия для сотрудников.
Светодиоды также используются и дома: интерьерная подсветка, встроенные светильники, различные декоративные поделки с дополнительным освещением - светодиодные лампы можно установить куда угодно благодаря их полной пожаробезопасности.
Вывески, бегущие строки для привлечения внимания - все это также светодиодные технологии.
Можно бесконечно продолжать список вещей, в которых используются светодиодные лампы. Но вывод напрашивается один - с этой технологией мы можем в любое время суток создать для себя идеальное освещение, а также подсветить все что угодно, независимо от размеров и целей использования.

Какие преимущества имеют светодиоды перед другими источниками света

Светодиодное освещение  — одно из перспективных направлений технологий искусственного освещения , основанное на использовании светодиодов в качестве источника света.

Развитие светодиодного освещения непосредственно связано с достижениями в технологии белых светодиодов . Разработаны так называемые сверхъяркие светодиоды, специально предназначенные для искусственного освещения.

В сравнении с обычными, а такжесветодиодные источники света обладают многими преимуществами.

При оптимальной схемотехнике источников питания, применении качественных компонентов и обеспечении надлежащего теплового режима срок службы светодиодных систем освещения при сохранении приемлемых для общего освещения показателей может достигнуть 36-72 тысяч часов, что в среднем в 50 раз больше по сравнению с номинальным сроком службы ламп накаливания общего назначенияи в 4-16 раз больше, чем у большинства.

Производители светодиодов из-за постоянного обновления и совершенствования продукции не имеют возможности проводить тестирование в реальном времени и указывают прогнозируемый срок службы, используя специальные методики, такие как TM-21 и IESNA LM-80. Большой срок службы в некоторых применениях играет решающую роль. Так, экономия на обслуживании и замене ламп в уличных светильниках зачастую превышает экономию на электроэнергии.

². Необходимость использования радиатора удорожает готовое изделие и затрудняет конструирование светодиодных ламп свыше 15 Вт, совместимых с типоразмероми габаритами ламп накаливания общего назначения. Особенно проблемы с теплоотводом ощутимы на примере светодиодных лампочек, что побуждает пользователей сети составлять их рейтинги.

Несоответствие спектра светодиодных светильниковсолнечному вызывало негативное влияние на здоровье людей, в частности, при работе с компьютером в течение длительного времени. Такие источники света негативно влияли на синтез,; вызывалии ухудшали. Этот недостаток побудил изготовителей светодиодов искать новые технологии, и были разработаны более безопасные светодиодные источники освещения. В РФ не уделяется достаточно внимания этой проблеме, и в результате экономичные, но небезопасные светодиодные светильники получили широкое распространение, в том числе в образовательных учреждениях — при наличии экономичной и безопасной альтернативы.

Как светодиоды влияют на энергоэффективность

А. Г. Полищук , канд. тех. наук, руководитель группы развития отдела светотехники,

А. Н. Туркин , канд. физ.-мат. наук, ведущий специалист отдела светотехники, компания «ПРОСОФТ»

В статье рассматриваются основные аспекты применения светодиодных светильников для различных областей освещения как эффективные методы решения проблемы экономии электроэнергии. Также приведены оценки эффективности их применения в целях энергосбережения по сравнению с традиционными источниками света – лампами накаливания и люминесцентными лампами.

В настоящее время проблема экономии электроэнергии стоит особенно остро . Энергопотребление во всем мире постоянно растет, причем быстрыми темпами. Для примера, потребление электроэнергии в нашей стране в 2006 году выросло в 2,5 раза , и ожидается ее дальнейшее увеличение в свете развития производства, народного хозяйства, строительства и т. д.

Тема обеспечения энергией становится столь определяющей во всем мире, что скоро, как сказал писатель-футуролог А. Кларк, киловатт-час может стать единой мировой валютой . Тем временем проблема энергосбережения тесно связана с другой актуальной проблемой – защитой окружающей среды, которой наносится огромный вред выбросами в атмосферу при выработке электроэнергии тепловыми и атомными электростанциями . Поэтому главный вопрос, который возникает, состоит в том, что выгоднее: увеличение генерирующих мощностей или снижение потребления электроэнергии, и далеко не в последнюю очередь – в освещении. И хотя самый вероятный ответ на этот вопрос подразумевает сочетание обоих решений, очень важным является тот факт, что на создание киловатта новых мощностей, вырабатывающих электрическую энергию, затрачивается от 1 000–3 000 долл. США, а для экономии киловатта мощности в системах освещения достаточно затратить 200–250 долл. США .

Также стоит отметить, что рост цен на энергоносители продолжает оставаться одной из главных проблем экономики. Поэтому при конкурентной борьбе на рынке в конечном выигрыше окажутся компании, уделяющие особое внимание внедрению энергосберегающих технологий. Одним из путей решения является применение энергосберегающих технологий в освещении. Для этого необходимо внедрять полупроводниковые светотехнические изделия, показатели которых уже достигли уровня, позволяющего использовать их в освещении самых разных объектов: подземных пешеходных переходов и автомобильных парковок, садово-парковом освещении, уличном освещении, освещении в ЖКХ и аварийном освещении. Кроме того, в настоящее время с развитием строительного бизнеса есть возможность ориентироваться на применение светодиодных светотехнических изделий непосредственно при проектировании объектов, что поможет решить задачу экономии электроэнергии на самом раннем этапе.

Почему светодиодные светильники могут решить проблему энергосбережения? Ответ на этот вопрос уже частично был дан авторами в предыдущей статье в данном журнале . Однако стоит пояснить, что светодиод – это полупроводниковый прибор, основным свойством которого является излучение света при прохождении электрического тока через p-n переход. Рабочее напряжение светодиода лежит в диапазоне приблизительно 2–4 В в зависимости от длины волны, т. е. цвета излучаемого сигнала. Рабочий ток при этом напряжении зависит от размеров кристалла полупроводника и может варьироваться от нескольких десятков милиампер для кристаллов малых размеров (порядка 300 мкм) до сотен милиампер для кристаллов больших размеров (порядка 1 мм). Это означает, что потребляемая светодиодом электрическая мощность не превышает ватт. А световая отдача современных белых светодиодов в среднем составляет 80 лм/Вт, что превосходит световую отдачу ламп накаливания (10 лм/Вт), которые в основном используются в освещении, а также световую отдачу люминесцентных ламп (в среднем 60 лм/Вт). Это означает, что при затрате ватта электроэнергии световой поток светодиода превысит световой поток лампы накаливания в среднем в 8 раз, а световой поток люминесцентной лампы – в 1,3 раза.

Каковы сроки службы светодиодов

Специалисты видят стремительный рост развитие светодиодной рекламы. Прогнозируется, что доля LED-рекламы вырастет в разы. Сколько прослужат кристаллы – это определяет экономическую целесообразность преехода на этот тип подсветки.Попробуем разобраться сколько в среднем проживет светодиод. Если проследить сколько горит обычная лампа накаливания или газоразрядная трубка, то тут все просто. Их срок службы считается с момента, когда установили и до того момента, когда они сгорели. В служит лампочка накаливания около 1 000 часов. Газоразрядная лампа – 5000 часов. Сколько же проработает светодиод не так просто определить. К примеру если его включить и ждать, когда он потухнет, то можно ждать не один десяток лет. Теоретически, LED-кристалл – это вечный источник излучения видимого спектра. Это не совсем так. Это связано с тем что, светодиод со временем тускнеет. Связано это с тем, что в его кристалле содержатся вредные примеси, от которых невозможно полностью избавиться на этапе производства. Как раз на ресурс и влияют примеси, которые со временем изменяют структуру кристалла, и часть энергии из за этого преобразуется в тепло, а не в свет. И он начинает тускнеть. Поэтому, периодом работы светодиода обозначают то время, в течение которого он не потускнеет более чем на 30% от своего первоначального светоизлучения.

Какой же средний срок службы у светодиодов?

По тестам средний срок службы 5мм SMD составляет:

• светодиод белого цвета прослужит до 50000 ч. с падением светового потока до 35% в течение первых 15000 ч.
• светодиод синего и зеленого цвета – до 70000 ч. с падением светового потока до 15% в течение первых 25000 ч.
• светодиод красного и желтого цвета – до 90000 ч.

Производители светодиодов анонсируют гарантийный срок службы до 100 000 часов работы. Заявляемый срок службы любого светодиода является больше статистической характеристикой. Этот показатель сильно зависит от условий его эксплуатации, а также от критериев оценки надежности. Нельзя забывать, что на эффективность использования светодиодных лент влияние оказывает соблюдение правил проектирования подстветки и монтаж. Электроконструкция и технология изготовления светодиодов оказывают определяющее воздействие на ресурс работы и надёжность. Безупречная конструкция обеспечивает отвод тепла от кристалла, что продлевает время эксплуатации. Статистикой доказано, что на уменьшение светового потока влияет ряд факторов, таких как: температура окружающей среды, правильная вентиляция, влажности воздуха и других параметров. Светодиод не является «вечным двигателем», его ресурс ограничен, но при правильной эксплуатации и соблюдения всех требований правил монтажа светодиодных систем, он может быть в несколько раз больше.

Судите сами, при среднем сроке службы светодиода в 50 000 часов это составит:

• 24 часа в день - 5.7 лет
• 18 часов в день -7.4 лет
• 12 часов в день -11.4 лет
• 8 часов в день -17.1 лет

Нужно помнить, что у белых светодиодов срок службы меньше чем у цветных. Структур, излучающих белый свет, никто еще не придумал. Основой LED белого света свечения является структура InGaN, излучающая на длине волны 470nm (синий цвет) и нанесенный сверху на нее люминофор, излучающий в широком диапазоне видимого спектра и имеющий максимум в его желтой части. Глаз человека комбинацию такого рода воспринимает как белый цвет.
Люминофор ухудшает тепловые характеристики светодиода, поэтому срок службы сокращается.
Практика же показывает, что срок службы светодиодных лент может достигать до 70 000 часов при соблюдении правильных требований по их эксплуатации.
Наиболее важным являются:

1. Температура.
2. Механическое воздействие.
3. Потребляемая мощность.
4. Свет.
5. Влажность.
6. Химические вещества, например (воздух с высоким содержанием диоксида серы).

Как светодиоды влияют на окружающую среду

Почему важна экологичность ламп, в которых используются светодиоды?

Одной из причин, почему общественность обратила внимание на экологичностьстало повсеместное и широкое использование компактных люминесцентных ламп (КЛЛ). Второй причиной стал запрет производства обычных ламп накаливания. Из безопасных остались только лампы светодиодные.

У люминесцентных ламп есть существенный недостаток. В их стеклянных трубках находится высокотоксичный металл – ртуть, в парах которого происходит электрический разряд и образуется поток ультрафиолетового излучения. Количество ртути связано с мощностью лампы и составляет примерно от 1 – 1,5 до 5 – 6 гр.

В КЛЛ ртути значительно меньше, а в некоторых модификациях она частично связана в виде твердых растворов. Такие вещества называются амальгамами. Они выделяют пары свободной ртути при нагревании в момент пуска ЛЛ (люминесцентной лампы) или КЛЛ и в течение последующих нескольких минут. После выключения лампы процесс идет в обратном направлении.

С точки зрения безопасности для окружающей среды и прежде всего здоровья человека, вышедшие из строя, а особенно разбившиеся ЛЛ и КЛЛ, нужно сдавать на специальные пункты переработки. Как утилизируют такие лампы можно узнать на нашем сайте. Из лампы удалят ртуть, амальгамы, люминофор, состоящий из десятков редкоземельных элементов, электронные компоненты блоков питания, оловянно-свинцовый припой и пр. материалы, опасность которых пока не доказана.

Но государственная система переработки, а особенно сдачи ламп или очень сложна и запутана, или нужно за неё еще и заплатить. Поэтому в большинстве случаев лампу просто выбрасывают в мусор, и она попадает на свалку.

Светодиодные лампы и экология

Высокая экологичность и безопасность светодиодных ламп основана на:

• отсутствии в конструкциях ламп токсичных, вредных для здоровья человека материалов – ртути, свинца, кадмия и пр.;
• излучение пяти- или трехкомпонентных люминофоров белых светодиодов обеспечивает высокую плотность спектра излучения, близкую к безопасной для зрения человека;
• спектр света практически не имеет УФ (ультрафиолетового) и ИК (инфракрасного) излучений;
• все чаще колбы изготавливаются из ударопрочного поликарбоната – значит невозможно порезаться осколками колбы;
• малый нагрев колбы, составляющий не выше 50 – 60 градусов, это пожарная и ожоговая безопасность;
• качественная фильтрация питающего тока или напряжения обеспечивает пульсации света, допустимые СНиПами;
• светодиодные светильники имеют нормированный защитный угол – резкий светодиодный свет высокой удельной плотности не попадет в глаза случайно.

Качественные светодиодные светильники не только дают яркий свет, но и обеспечивают световой комфорт и уменьшают психологическую нагрузку и на работе, и дома. При выходе из строя или плановом выводе из эксплуатации специальной утилизации они не требуют.

По уровню воздействия на человека и экологию мощные светодиодные светильники не опаснее мобильного телефона или планшета.Отсюда вывод: светодиодные лампы и экология не противоречат друг другу.

Какие факторы влияют на качество света светодиодов

В результате многолетних разработок налажено производство разных типов светодиодов по функциональному предназначению, размерам и конструктивному исполнению. При изготовлении применяют модели разных форм, яркости, способу монтажа.

Выводные светодиоды

Характеризуются как маломощные источники света, оснащены специальными «ножками», при помощи которых производится монтаж в отверстия печатной платы. Модели с небольшим углом свечения применяют в изготовлении вывесок, рекламных табло. Используют как индикаторные маячки и подсветку для электротехники, а также устанавливают в «лазерные» указки, бытовые фонари и светильники.

Предназначены для поверхностного монтажа, классифицируют модели в зависимости от их диаметра. Размер моделей и отличия светодиодов влияют на яркость, габаритность источника освещения. Типовые модификации корпусов:

• круглой формы от 3 до 10 мм;
• прямоугольные «Пиранья» с четырьмя ножками, что повышает устойчивость к вибрации. Модели часто используют в приборной панели автомобиля. Долговечны, благодаря надежной системе теплоотвода;
• цилиндрические диоды диаметром 3, 5 или 8 мм. Однонаправленные выводы проволочного типа.

Монтаж осуществляют с помощью паяльника и припоя. Используют металлические держатели для диодов с винтовым креплением.

SMD-светодиоды

Универсальные модели с крепким корпусом используют для ламп общего назначения, индикаторных панелей, аварийного освещения. Популярны ленты на SMD-диодах в виде линеек и модулей.

В основе диода светодиодный кристалл, который расположен в квадратном или прямоугольном корпусе. Оптическое покрытие готового чипа, как правило, из люминофора. Фокусирующая линза формирует диапазон направленности светового потока. Выводы в виде металлических полосок. На плату SMD-диодов устанавливают методом поверхностного монтажа.

Благодаря надежному теплоотводу мощные модели сохраняют стабильный режим работы на протяжении нескольких лет.

COB-светодиоды

В отличие от дискретных чипов в отдельных корпусах идея COB-матрицы помогает получить высокую плотность кристаллов с суммарным световым потоком высокой интенсивности и однородности. Используется керамическая или алюминиевая подложка, на которой диоды, соединенные в кластеры, герметично заливают люминофором.

LED характеристики компактной матрицы нормированы рабочим током в соответствии с видом используемых кристаллов, с требуемой на выходе мощностью/яркостью.

Источник: https://otoplen-dom.ru/novosti/svetodiody-osnovnye-harakteristiki-i-primenenie