Въпросите за намаляване на потреблението на електроенергия се решават не само на държавно ниво. Този проблем е актуален и за обикновените потребители. В тази връзка не само мощни, но и икономични източници на светлина започват да се въвеждат широко в апартаменти, офиси и други институции. Сред тях LED лампите стават все по-широко разпространени. Дизайнът и принципът на работа на LED лампата позволява да се използва със стандартен цокъл и да се включи в електрическа мрежа 220 V. За да направите правилния избор, трябва да знаете основните предимства и характеристики на съвременните източници на светлина.
Принцип на работа на LED лампи
Работата на LED лампите използва физически процеси, които са много по-сложни от тези, използвани в конвенционалните лампи с нажежаема жичка с метална жичка. Същността на явлението е появата на светлинен поток в точката на контакт на две вещества, направени от различни материали, след преминаване на електрически ток през тях.
Основният парадокс е, че всеки от използваните материали не е проводник на електрически ток. Те принадлежат към категорията на полупроводниците и могат да пропускат ток само в една посока, при условие че са свързани помежду си. В единия от тях задължително трябва да преобладават отрицателните заряди - електрони, а в другия - йони с положителен заряд.
В допълнение към движението на електрически ток в полупроводниците се случват и други процеси. При преминаване от едно състояние в друго се отделя топлинна енергия. Чрез експерименти беше възможно да се намерят комбинации от вещества, в които заедно с освобождаването на енергия се появи светлинно лъчение. В електрониката започнаха да се наричат всички устройства, които пропускат ток само в една посока, а тези, които имат способността да излъчват светлина, започнаха да се наричат светодиоди.
В самото начало излъчването на фотони от полупроводникови съединения покрива само тясна част от спектъра. Те могат да излъчват само червена, жълта или зелена светлина с много нисък светлинен интензитет. Поради това дълго време светодиодите се използват само като индикаторни лампи. Към днешна дата са получени материали, чиито съединения са направили възможно значително разширяване на обхвата на светлинното излъчване и покриване на почти целия спектър. Въпреки това, някаква дължина на вълната винаги преобладава в сиянието. Следователно LED лампите се разделят на източници на студена светлина - синя и топла светлина - предимно червена или жълта.
Устройство на светодиодни източници на светлина
Външният вид на LED лампите практически не се различава от традиционните източници на светлина с метална жичка. Снабдени са с резба, което позволява да се използват с конвенционални патрони и без да се правят промени в електрообзавеждането на помещенията. Светодиодните лампи обаче се различават значително по своята сложна вътрешна структура.
Те включват контактна основа, корпус, който играе ролята на радиатор, захранваща и контролна платка, платка със светодиоди и прозрачна капачка. Когато планирате да използвате LED лампи в мрежа от 220 V, трябва да запомните, че те няма да могат да работят с такъв ток и напрежение. За да се предотврати изгарянето на осветителните тела, в корпусите им са монтирани захранващи и контролни табла, намаляващи напрежението и изправящи тока.
Дизайнът на такава дъска оказва сериозно влияние върху живота на лампата. При някои модели отпред е инсталиран само резистор, а в някои случаи безскрупулните производители се справят без него. В резултат на това лампите произвеждат много ярка светлина, но изгарят много бързо поради липсата на стабилизиращи устройства. Следователно висококачествените лампи със сигурност са оборудвани със стабилизатори, например баластни трансформатори. Най-често срещаните управляващи вериги използват филтри против нагласяне, които включват кондензатор и резистор. Най-скъпите модели използват микросхеми в блоковете за управление и захранване.
Всеки отделен светодиод излъчва доста слаба светлина. Следователно, за да се постигне желаният светлинен ефект, необходимият брой елементи се групират. За целта се използва платка от диелектричен материал с нанесени проводящи пътеки. Приблизително същите платки се използват и в други електронни устройства.
Светодиодната платка също е понижаващ трансформатор. За целта всички елементи се свързват последователно в обща верига, като мрежовото напрежение се разпределя равномерно между тях. Единственият значителен недостатък на тази схема е, че цялата верига се счупи, ако поне един светодиод изгори.
Цялата лампа е защитена от влага, прах и други негативни влияния с прозрачна капачка. Някои свойства на капачката ви позволяват да подобрите цялостния блясък. Факт е, че вътрешната му страна е покрита със слой фосфор, който започва да свети под въздействието на квантовата енергия. Поради това външната повърхност на капачката изглежда матова. Люминофорът има по-широк спектър на излъчване, няколко пъти по-висок от този на светодиодите. В резултат на това радиацията става сравнима с естествената слънчева светлина. Без такова покритие светодиодите са дразнещи за очите, причинявайки умора и болка.
Най-добре е да проучите полезните качества, структурата и принципа на работа на LED лампи на диаграми при напрежение на електрическата мрежа от 220 волта. Най-често такива лампи се използват в индустриално и улично осветление, а в домашни условия традиционните източници на светлина се заменят с LED крушки, работещи при ниско напрежение, главно 12 волта. Мощността на лампата и нейната светлинна мощност обаче не са пряко свързани помежду си. Този фактор трябва да се вземе предвид при избора на LED лампи.
В LED лампи, проектирани за 220 волта, няма трансформатор във веригата. В тази връзка възникват допълнителни спестявания при работата на такива лампи. Тази характеристика ги отличава от LED лампи с други мощности. Следователно изборът на лампи не се основава на мощността, а на степента на осветеност, създадена от тях.
Предимства на LED лампите
В момента се отдава голямо значение на икономичната и дълготрайна работа на осветителните устройства. Ето защо на преден план излизат лампи, които създават ярко осветление с отделяне на минимално количество топлина и ниска консумация на енергия. Те имат ниска чувствителност към промени в тока и напрежението и могат да издържат на голям брой включвания и изключвания.
LED лампите напълно притежават всички тези качества. Те имат няколко разновидности, различаващи се по дизайн и технически характеристики, което ви позволява да изберете най-подходящия вариант. Всички лампи се различават по наличието или отсъствието на лампи, степента на екологична безопасност и необходимостта от използване на токоизправители и други допълнителни устройства.
Светодиодът е двужилен полупроводников източник на светлина. Когато към клемите се приложи подходящ ток, електроните могат да се рекомбинират с електронните дупки вътре в устройството, освобождавайки енергия под формата на фотони. Този ефект се нарича електролуминесценция и цветът на светлината се определя от забранената енергийна зона на полупроводника.
Какво е LED
Светодиодът е оптоелектронно устройство, което може да излъчва светлина, когато през него преминава електрически ток. Светодиодпропуска електрически ток само в една посока и произвежда некохерентно монохроматично или полихроматично излъчване от преобразуването на електрическа енергия.
Той има няколко производни:
- OLED.
- AMOLED.
- ЗАЛУЧЕН.
Благодарение на тяхната светлинна ефективност, светодиодите в момента представляват 75% от пазара на вътрешно и автомобилно осветление. Използват се при конструирането на телевизори с плосък екран, а именно за подсветка на LCD екрани или като източник на електричество. Използва се като основно осветление в OLED телевизори.
Първите налични в търговската мрежа светодиоди произвеждат инфрачервена, червена, зелена и след това жълта светлина. Изходът на синия светодиод, свързан с техническия и инсталационния напредък, прави възможно покриването на диапазон на дължина на вълната, простиращ се от ултравиолетов (350 nm) до инфрачервен (2 хиляди nm), което отговаря на много нужди. Много устройства са оборудвани с композитни светодиоди (три в един компонент: червен, зелен и син) за показване на много цветове.
LED лампа
LED лампите са осветителни продукти за битово, индустриално и улично осветление, при които светлинният източник са светодиоди. По същество това е набор от светодиоди и захранваща верига за преобразуване на мрежовото захранване в постоянен ток с ниско напрежение.
LED лампата е отделно и самостоятелно устройство. Корпусът му най-често е индивидуален по дизайн и специално проектиран за различни източници на осветление. Големият брой лампи и малките им размери позволяват да се поставят на различни места, да се сглобяват панели и да се използват за подсветка на дисплеи и телевизори.
Осветлението с общо предназначение изисква бяла светлина. Принципът на работа на LED лампата се основава на излъчване на светлина в много тесен диапазон от дължини на вълните: това е цветовата характеристика на енергията на полупроводниковия материал, който се използва за производството на светодиоди. За да излъчвате бяла светлина от LED лампа, трябва да смесите емисиите от червени, зелени и сини светодиоди или да използвате фосфор, за да преобразувате части от светлината в други цветове.
Един от методите е RGB (червено, зелено, синьо), което е използването на множество светодиодни матрици, всяка от които излъчва различна дължина на вълната, в непосредствена близост, за да се създаде общ бял цвят.
Историята на създаването на първите лампи
Първото излъчване на светлина от полупроводник датира от 1907 г. и е открито от Хенри Джоузеф Раунд. През 1927 г. Олег Владимирович Лосев подава първия патент за това, което по-късно ще бъде наречено диод, излъчващ светлина.
През 1955 г. Рубин Браунщайн открива инфрачервеното излъчване на галиев арсенид, полупроводник, който по-късно ще бъде използван от Ник Холоняк младши и С. Бевака за създаването на първия червен светодиод през 1962 г. В продължение на няколко години изследователите се ограничават до определени цветове, като червено (1962), жълто, зелено и по-късно синьо (1972).
Принос на японски учени
През 90-те години на миналия век изследванията на Shuji Nakamura и Takashi Mukai от Nichia върху полупроводниковата технология InGaN доведоха до създаването на сини светодиоди с висока яркост, след това адаптирани към бели светодиоди чрез добавяне на жълт фосфор. Този напредък даде възможност за големи нови приложения като осветление и задно осветяване на телевизионни и LCD екрани. На 7 октомври 2014 г. Шуджи Накамура, Исаму Акасаки и Хироши Амано получиха Нобелова награда по физика за работата си върху сините светодиоди.
Как работи устройството
Когато диодът е предубеден, електроните се движат бързо през кръстовището. Те непрекъснато се обединяват, премахвайки се един друг. Скоро след като електроните започнат да се движат от n-тип към p-тип силиций, диодът се свързва с дупките и след това изчезва. Следователно, той прави целия атом по-стабилен и осигурява малък изблик на енергия под формата на фотон светлина.
Принципът на образуване на светлинни вълни
За да разберете как работи един светодиод, трябва да научите за неговите материали и техните свойства. LED е специализирана форма на PN преход, който използва сложна връзка. Съединението трябва да бъде полупроводниковият материал, използван за връзката. Често използваните материали, включително силиций и германий, са прости елементи и съединение, направено от тези материали, не излъчва светлина. Що се отнася до полупроводниците като галиев арсенид, галиев фосфид и индиев фосфид – те са композитни и съединенията от тези материали излъчват светлина.
Тези съставни полупроводници се класифицират според валентните ленти, които заемат техните съставки. Галиевият арсенид има валентност три, а арсенът има валентност пет. Това се нарича полупроводник от група III-V. Има редица други полупроводници, които се вписват в тази определена категория. Има полупроводници, които са образувани от материали от група III-V.
Светодиодът излъчва светлина, когато е наклонен напред. Когато се приложи напрежение към връзка, за да я накара да се придвижи напред, протича ток, както при всяка PN връзка. Дупки от p-тип регион и електрони от n-тип регион влизат във връзката и се рекомбинират като нормален диод, за да позволят на тока да тече. Когато това се случи, се освобождава енергия.
Установено е, че по-голямата част от светлината се получава от преходната област, по-близо до P-типа област. Дизайнът на диодите е направен по такъв начин, че тази зона да е разположена възможно най-близо до повърхността на устройството, така че минималното количество светлина да се абсорбира от структурата.
За да се създаде светлина, която може да се види, връзката трябва да бъде оптимизирана и материалите трябва да са правилни. Чистият галиев арсенид освобождава енергия в инфрачервената част на спектъра. За да се осигури излъчване на светлина, алуминият се добавя към полупроводник във видимия червен спектър, за да се получи галиев аргицид арсенид (AlGaAs). Фосфорът може също да се добави, за да се получи червена светлина. За други цветове се използват различни материали. Например галиевият фосфид произвежда зелена светлина, докато калциевият алуминиев фосфид се използва за производството на жълта и оранжева светлина. Повечето светодиоди са базирани на галиеви полупроводници.
Квантова теория
Потокът на ток в полупроводниците се причинява от двата потока на свободни електрони в противоположна посока. Следователно ще има рекомбинация поради потока на тези носители на заряд.
Рекомбинацията показва, че електроните в зоната на проводимост се спускат към валентната зона. Когато прескачат от една лента в друга, те излъчват електромагнитна енергия под формата на фотони, а фотонната енергия е равна на забранената енергийна празнина.
Показва се математическо уравнение:
H е известна като константа на Планк, а скоростта на електромагнитното излъчване е равна на скоростта на светлината. Честотата на излъчване е свързана със скоростта на светлината като f = c/λ. λ се обозначава като дължина на вълната на електромагнитното излъчване и уравнението става:
От това уравнение може да се разбере как работи един светодиод въз основа на факта, че дължината на вълната на електромагнитното излъчване е обратно пропорционална на ширината на лентата. Като цяло, общото излъчване на електромагнитна вълна по време на рекомбинация е под формата на инфрачервено лъчение. Невъзможно е да се види дължината на вълната на инфрачервеното лъчение, тъй като е извън видимия диапазон.
Инфрачервеното лъчение се нарича топлина, тъй като силициевите и германиеви полупроводници не са полупроводници с директна междина, а са от индиректния междинен вид. Но в полупроводниците с права междина, максималното енергийно ниво на валентната лента и минималното енергийно ниво на проводимата зона не възникват едновременно с електроните. Следователно, по време на рекомбинацията на електрони и дупки, електроните мигрират от зоната на проводимост към валентната лента и импулсът на електронната лента ще се промени.
Предимства и недостатъци
Както всяко устройство, светодиодът също има редица свои собствени характеристики, основни предимства и недостатъци.
Основни предимстваизглежда така:
Сред недостатъцитеможе да се отбележи следното:
В лампите с нажежаема жичка светлината идва от нажежена до бяло волфрамова нишка, основно от топлина. Подобно на горещи въглища в пещ, нагрята от топлинното действие на електрически ток, когато електроните осцилират бързо и се сблъскват с възлите на кристалната решетка на проводящ метал, като същевременно излъчват видима светлина, която обаче представлява само по-малко от 15% от общата изразходвана електрическа енергия, която захранва лампата.
Светодиодите, за разлика от лампите с нажежаема жичка, излъчват светлина изобщо не поради топлина, а поради особеностите на техния дизайн, който основно има за цел да гарантира, че текущата енергия се използва специално за излъчване на светлина и с определена дължина на вълната. В резултат на това ефективността на светодиода като източник на светлина надхвърля 50%.
Токът преминава тук и при прехода има рекомбинация на електрони и дупки с излъчване на фотони (кванти) на видимата светлина с определена честота и следователно с определен цвят.
Всеки светодиод е основно проектиран, както следва. Първо, както беше отбелязано по-горе, тук има преход електрон-дупка, състоящ се от полупроводници p-тип (основните токоносители са дупки) и n-тип (основните токоносители са електрони) в контакт един с друг.
Когато през това съединение преминава ток в права посока, тогава в точката на контакт на полупроводници от два противоположни типа възниква преход на заряд (носители на заряд прескачат между енергийни нива) от област с един тип проводимост към област с друг вид проводимост.
В този случай електроните с техния отрицателен заряд се комбинират с йони на положително заредени дупки. В този момент се раждат фотони от светлина, чиято честота е пропорционална на разликата в енергийните нива на атомите (височината на потенциалната бариера) между веществата от двете страни на прехода.
Структурно светодиодите се предлагат в различни форми. Най-простата форма е петмилиметрово тяло - леща. Такива светодиоди често могат да бъдат намерени като светлинни индикатори на различни домакински уреди.Горната част на LED корпуса има формата на леща. В долната част на корпуса е монтиран параболичен рефлектор (рефлектор).
Рефлекторът съдържа кристал, който излъчва светлина, когато токът преминава през p-n прехода. От катода - към анода, от рефлектора - към тънката жица, електроните се движат през куба - кристала.
Този полупроводников кристал е основният елемент на светодиода. Тук той е с размери 0,3 на 0,3 на 0,25 mm. Кристалът е свързан към анода чрез джъмпер, изработен от тънка тел. Полимерното тяло също е прозрачна леща, която фокусира светлината в определена посока, което води до ограничен ъгъл на отклонение на светлинния лъч.
Днес светодиодите се предлагат във всички цветове на дъгата, от ултравиолетово и бяло до червено и инфрачервено. Най-често срещаните са червени, оранжеви, жълти, зелени, сини и бели LED цветове. И цветът на сиянието тук не се определя от цвета на тялото!
Цветът зависи от дължината на вълната на фотоните, излъчени в pn прехода. Например, червеният цвят на червения светодиод има характерна дължина на вълната от 610 до 760 nm. Дължината на вълната от своя страна зависи от материала, който е бил използван при производството на конкретен светодиод. По този начин, за да се получат цветове от червено до жълто, се използват добавки от алуминий, индий, галий и фосфор.
За получаване на цветове от зелено до синьо - азот, галий, индий. За да се получи бял цвят, към кристала се добавя специален фосфор, който преобразува синия цвят в бял.
Светодиодът е вид диод, електронно устройство с еднопосочна проводимост на електрически ток. Диод, или както се нарича още изправителен диод, имащ своите уникални свойства да променя електрическото съпротивление в зависимост от полярността на приложеното към него напрежение, се използва за коригиране на променлив ток. Конструкцията на токоизправителния диод може да бъде изградена както на базата на радиоелектронни тръби, така и на базата на полупроводникови кристали.
За разлика от токоизправителния диод, светодиодът се прави само на базата на полупроводникови кристали. Принципът на работа на двете електронни устройства се основава на инжектиране (дифузия) на електрони и дупки в областта стр-нпреход, тоест зоната на контакт на два полупроводника с различни видове проводимост. Под инжектиране имаме предвид прехвърлянето на излишни електрони от региона н- въведете областта стр-тип, както и прехода на излишни дупки от обл стр- въведете областта н-тип, където липсват. В резултат на инжектирането се образуват некомпенсирани слоеве от електрони и дупки в двете области, близо до границата на прехода. На страната н-преходен слой от дупки, а отстрани стр-преходен слой от електрони. Тези слоеве образуват така наречения блокиращ слой, чието вътрешно електрическо поле предотвратява по-нататъшното инжектиране (Фигура 1).
Фигура 1. Бариерен слой стр-нпреход
Получава се известен баланс. Когато се приложи отрицателно напрежение към област на кристала с проводимост н-тип и положително напрежение към областта на кристала с проводимост стр-тип, под въздействието на външно електрическо поле, насочено срещу блокиращото поле, пътят се отваря за основните носители през стр-нпреход. Бариерният слой изтънява и устойчивостта му намалява. Има масивно движение на свободни електрони от н-региони в стр-площ и дупки от стр-региони в н-регион. Във веригата възниква електрически ток (Фигура 2).
Фигура 2: Превключване напред
Ако се приложи обратно напрежение, бариерният слой става по-дебел и електрическото съпротивление се увеличава значително. При прилагане на обратно напрежение практически няма електрически ток (Фигура 3).
Фигура 3. Включване в обратна посока
Трябва да се помни, че допустимата стойност на обратното напрежение за светодиоди, при която не настъпва разпадането му, е значително по-ниска от тази на токоизправителните диоди. Често тази стойност е равна на максималната стойност на напрежението в права посока. Следователно, когато включвате светодиод в електрическа верига с променлив ток, не трябва да забравяте амплитудната стойност на напрежението. За синусоидално напрежение с честота 50 Hz неговата амплитудна стойност е 1,41 пъти по-голяма от ефективната стойност. Такива включвания се използват рядко, тъй като целта на светодиода все още е да „свети“, а не да „изправя“. Обикновено светодиодът се включва при постоянно напрежение.
Видео 1. Полупроводници
Когато свободните електрони преминават през стр-нпреходните електрони и дупките излъчват фотони поради преминаването им от едно енергийно ниво към друго. Не всички полупроводникови материали ефективно излъчват светлина при инжектиране. Например диодите от силиций, германий и силициев карбид практически не излъчват светлина. А диодите от галиев арсенид или цинков сулфид имат най-добри излъчващи способности.
Излъчената светлина не е кохерентна и е в тесен спектър. В тази връзка всеки светодиод има свой собствен спектър от вълни със собствена дължина и честота, които могат или не могат да бъдат видими за човешкото око. Като пример за използването на светодиоди с невидим спектър на излъчване можем да цитираме светодиодите, използвани в дистанционните управления на всяко съвременно радиоелектронно оборудване. За да видите радиацията, вземете дистанционно и всеки мобилен телефон с фото-видео камера. Поставете телефона си в режим на видеозаснемане, насочете обектива на камерата към предния край на дистанционното управление и натиснете който и да е от бутоните на дистанционното управление. В същото време ще видите светодиода да свети на екрана на телефона.
Емисионният спектър зависи от химичния състав на полупроводниковия кристал. Всеки емисионен спектър има свой собствен цвят. Следователно светодиодите, излъчващи светлина във видимия за човешкото око спектър, се възприемат като многоцветни, червени, зелени, сини.
Светенето на твърдотелен диод е открито за първи път от британския експериментатор Хенри Раунд. През 1907 г., докато провеждал своите изследвания, той случайно забелязал, че около точковия контакт на работещ диоден детектор се появява сияние. Той обаче не направи заключение за практическото приложение на това явление.
Няколко години по-късно, през 1922 г., Олег Владимирович Лосев по време на нощните си радиочасове, точно като Хенри Раунд, случайно започна да наблюдава появяващото се сияние на кристален детектор. За да получи стабилно сияние от кристала, той приложи напрежение от галванична батерия към точковия контакт на диодния детектор и по този начин прекара електрически ток през него. Това беше първият опит да се намери практическо приложение за работа със светодиоди.
През 1951 г. в САЩ започва изследователска работа по разработването на „полупроводникови крушки“, чието действие се основава на „ефекта на Лосев“. През 1961 г. е открита и патентована технологията за производство на инфрачервен светодиод, чиито автори са Робърт Баярд и Гари Питман. Година по-късно, през 1962 г., Ник Холоняк, работещ в General Electric, произвежда първия в света червен светодиод, работещ в светлинния диапазон и впоследствие намиращ първото си практическо приложение. Имаше ниска енергийна ефективност, консумираше сравнително голям ток, но в същото време имаше слабо сияние. Въпреки това технологията се оказа обещаваща и беше доразвита.
Следващата стъпка в развитието на LED технологията беше изобретяването на жълтия светодиод. Бивш ученик на Ник Холоняк, Джордж Крафорд, през 1972 г., заедно с изобретяването на жълтия светодиод, увеличи яркостта на червените и червено-оранжевите светодиоди с 10 пъти. Почти едновременно с тези изобретения, в началото на 70-те години, се произвеждат зелени светодиоди. Те са намерили своето приложение в калкулатори, ръчни часовници, електронни устройства, мигачи и светофари. Значително увеличение на светлинния поток, до 1 лумен (Lm), на червени, жълти и зелени светодиоди беше постигнато едва през 1990 г.
През 1993 г. японски инженер, работещ за Nichia, Шуджи Накамура, успя да произведе първия светодиод с висока яркост, който излъчва синя светлина. Това изобретение беше революция в развитието на LED технологията, тъй като светодиодите бяха произведени в три основни цвята, червен, зелен и син. От този момент нататък беше възможно да се получи блясък от всякакъв цвят, включително бяло.
През 1996 г. се появяват първите бели светодиоди. Те се състоеха от два светодиода - син и ултравиолетов с фосфорно покритие.
До 2011 г. бяха изградени бели LED дизайни, които осигуряваха светлинен поток до 210 Lm/W. Как учените и инженерите постигнаха такъв успех? За да направите това, нека разгледаме известните в момента методи за производство на бели светодиоди.
Известно е, че всички цветове и нюанси са съставени от три основни цвята - червено, зелено, синьо. Бялата светлина не е изключение. Има четири варианта за производство на радиация от бели светодиоди (Фигура 4).
Фигура 4. Получаване на светодиоди, излъчващи бяла светлина
Първият вариант е да използвате три отделни светодиода в дизайна. стр-нпреходи, излъчващи червена, зелена и синя светлина. С тази опция за всеки стр-нПреходът изисква собствено захранване. Чрез регулиране на напрежението на всеки стр-нпреход, те постигат създаване на бял блясък със собствен нюанс (цветна температура).
Вторият вариант - с тази опция LED дизайнът използва такъв стр-нпреход на синьо сияние, покрит с жълт или жълто-зелен луминофор. Тази опция се използва най-често, тъй като светодиодът изисква един източник на захранване, за да работи. Цветовите характеристики на този светодиод обаче са по-ниски от тези на светодиодите, получени по други методи.
Трети вариант - тук също се използва един стр-нпреход на синьо сияние, но покрит със слоеве фосфор от два цвята - червен и зелен. LED дизайните, произведени по този метод, осигуряват по-добри цветови характеристики.
Четвъртият вариант - дизайнът на светодиода в този вариант се основава на ултравиолетов светодиод, покрит с три слоя фосфор червен, зелен и син. Конструкциите на такива светодиоди са най-малко икономични, тъй като преобразуването на късовълнови ултравиолетови лъчи в дълговълнови видими лъчи и в трите слоя на фосфора е съпроводено със загуби на енергия.
Светлинната ефективност на ултраярките бели светодиоди от 210 Lm/W засега е постигната само в лабораторни условия. Максималната светлинна мощност на ярките светодиоди, достъпни за обща употреба, не надвишава 120 Lm/W. Такива светодиоди са много скъпи и се използват рядко. По-голямата част от светодиодите имат светлинна мощност от 60 - 95 Lm/W.
Светлинната мощност на светодиода, както всеки друг източник на светлина, захранван с електрическа енергия, зависи от количеството ток, преминаващ през него. Колкото по-висок е токът, толкова по-голяма е светлинната мощност. Но както всеки друг източник на светлина, по-голямата част от енергията в него се превръща в топлина. Нагряването на светодиодите е придружено от намаляване на тяхната светлинна мощност. В тази връзка производителите са принудени да използват масивни метални кутии за охлаждане на кристала и разсейване на генерираната топлина в околната среда. Такива мерки позволяват леко да се повиши ефективността на използването му.
Ако сравним енергийната ефективност на различните източници на светлина, се оказва, че светодиодите с ефективност 40 - 45% са най-икономичните. Например, лапите с нажежаема жичка имат ефективност от 2 - 5%, - 15 - 25%, - 24 - 30%.
Режимът на работа на светодиода, когато кристалът е с температура, близка до стайната, несъмнено има благоприятен ефект върху експлоатационния му живот. При тези режими на работа светодиодът може да работи до 50 000 часа без загуба на светлинен поток. Ако целта е да се увеличи светлинната мощност чрез увеличаване на тока, то това естествено ще има пагубен ефект върху експлоатационния му живот. На първо място, към края на експлоатационния му живот светлинният поток намалява значително. Падането става плавно и достига 70% от първоначалната стойност. Второ, вероятността от пълния му отказ се увеличава.
Този факт подсказва, че при избора на осветителни тела и лампи при разработването на проекти за осветление е необходимо всеки път да се преценява кое е по-изгодно от икономическа гледна точка.
От откриването на червения светодиод през 1962 г. развитието на твърдотелни светлинни източници не е спирало нито за миг. Всяко десетилетие беше белязано от научни постижения и откри нови хоризонти пред учените. През 1993 г., когато японски учени успяха да получат синя светлина, а след това и бяла светлина, развитието на светодиодите премина на ново ниво. Физиците по света бяха изправени пред нова задача, чиято същност беше да използват LED осветлението като основно.
В наши дни можем да направим първите изводи, показващи успеха на развитието на LED осветлението и продължаващата модернизация на светодиодите. На рафтовете на магазините се появиха лампи със светодиоди, направени с помощта на технологии COB, COG, SMD, нишки.
Как работи всеки от изброените видове и какви физически процеси карат полупроводниковия кристал да свети?
Какво е LED?
Преди да анализираме устройството и принципа на работа, нека разгледаме накратко какво е светодиод.
Светодиодът е полупроводников компонент с преход електрон-дупка, който произвежда оптично излъчване, когато електрическият ток преминава в посока напред.
За разлика от нишките и флуоресцентните източници на светлина, светлината, излъчвана от светодиода, е в малък диапазон от спектъра. Това означава, че диодният кристал излъчва определен цвят (в случай на светодиоди с видим спектър). За да се получи специфичен спектър на излъчване, светодиодите използват специален химичен състав от полупроводници и фосфор.
Устройство, дизайн и технологични разлики
Има много характеристики, по които светодиодите могат да бъдат класифицирани в групи. Една от тях е технологичната разлика и малка разлика в устройството, която се дължи на особеностите на електрическите параметри и бъдещото приложение на светодиода.
DIP
Цилиндричният пакет от епоксидна смола с два извода беше първият дизайн за кристал, излъчващ светлина. Заоблен цветен или прозрачен цилиндър служи като леща, образувайки насочен лъч светлина. Проводниците се вкарват в отворите на печатната платка (DIP) и се запояват, за да осъществят електрически контакт.
Излъчващият кристал е разположен върху катода, който има формата на флагче и е свързан с анода с много тънък проводник. Има модели с два и три кристала в различни цветове в една опаковка с брой щифтове от два до четири. Освен това в корпуса може да се вгради микрочип, който контролира реда на светене на кристалите или задава чистотата на мигането му. 
Светодиодите в DIP корпус са слаботокови и се използват в осветление, дисплейни системи и гирлянди.
В опит да се увеличи светлинният поток се появи аналог с подобрено устройство в DIP пакет с четири щифта, известен като "пираня". Увеличеният светлинен поток обаче беше компенсиран от размера на светодиода и силното нагряване на кристала, което ограничи обхвата на приложение на „пиранята“. И с навлизането на SMD технологията тяхното производство на практика спря.
SMD
Полупроводниковите устройства, монтирани на повърхността на печатна платка, са коренно различни от своите предшественици. Появата им разшири възможностите за проектиране на осветителни системи, направи възможно намаляването на размерите на лампата и напълно автоматизира инсталацията. Днес SMD LED е най-популярният компонент, използван за изграждане на източници на светлина от всякакъв формат.
Основата на корпуса, върху която е закрепен кристалът, е добър топлопроводник, което значително подобрява отвеждането на топлината от светоизлъчващия кристал. В бялото LED устройство има слой фосфор между полупроводника и лещата, за да зададе желаната цветова температура и да неутрализира ултравиолетовото лъчение. В SMD компонентите с широк ъгъл на излъчване няма леща, а самият светодиод има формата на паралелепипед.
COB
Chip-On-Board е едно от най-новите практически постижения, което в близко бъдеще ще заеме водеща роля в производството на бели светодиоди в изкуственото осветление. Отличителна черта на LED устройството е следното: десетки кристали без корпус и субстрат са прикрепени към алуминиева основа (субстрат) чрез диелектрично лепило, след което получената матрица е покрита с общ слой фосфор. Резултатът е източник на светлина с равномерно разпределение на светлинния поток, елиминиращ появата на сенки.
Разновидност на COB е Chip-On-Glass (COG), което включва поставяне на много малки кристали върху стъклена повърхност. По-специално, те са широко известни, в които излъчващият елемент е стъклена пръчка със светодиоди, покрити с фосфор.
Принцип на работа на светодиода
Въпреки разгледаните технологични характеристики, работата на всички светодиоди се основава на общия принцип на действие на излъчващия елемент. Преобразуването на електрически ток в светлинен поток се извършва в кристал, който се състои от полупроводници с различни видове проводимост. Материал с n-проводимост се получава чрез легиране с електрони, а материал с p-проводимост се получава чрез легиране с дупки. По този начин в съседни слоеве се създават допълнителни носители на заряд с противоположни посоки. 
В момента, в който се приложи напрежението напред, започва движението на електрони и дупки към p-n прехода. Заредените частици преодоляват бариерата и започват да се рекомбинират, предизвиквайки протичане на електрически ток. Процесът на рекомбинация на дупка и електрон в зоната на pn прехода е придружен от освобождаване на енергия под формата на фотон.
Като цяло това физическо явление се отнася за всички полупроводникови диоди. Но в повечето случаи дължината на вълната на фотона е извън видимия спектър на радиация. За да накарат една елементарна частица да се движи в диапазона 400-700 nm, учените трябваше да проведат много експерименти с избора на подходящи химични елементи. В резултат на това се появиха нови съединения: галиев арсенид, галиев фосфид и техните по-сложни форми, всяка от които се характеризира със собствена дължина на вълната и следователно цвета на излъчването.
В допълнение към полезната светлина, излъчвана от светодиода, в p-n прехода се генерира известно количество топлина, което намалява ефективността на полупроводниковото устройство. Следователно проектирането на светодиоди с висока мощност трябва да вземе предвид възможността за прилагане на ефективно отвеждане на топлината.
Прочетете също
Зареждане...
