Что такое светодиод и как он работает — устройство и особенности

Обозначение и цветовая маркировка

У каждого производителя собственная маркировка светодиодов. Например, в обозначении светодиода – LED-WW-SMD5050 его буквенные и цифровые элементы имеют расшифровку:

• LED – светодиод;
• WW – цвет свечения Warm White – белый теплый 2700-3500 K;
• SMD – корпус для поверхностного монтажа;
• – размеры корпуса в десятых долях миллиметра – 5,0×5,0.

Варианты аббревиатур оттенков белого света:

• DW – Day White – белый дневной (4000-5000 K);
• W – White, белый чистый (6000-8000 K);
• CW или WC – Cool White – белый холодный (8000-10 000 K);
• WSC – White Super Cool – белый суперхолодный , цветовая температура 15 000 К с характерным синеватым оттенком;
• NW – Neutral White – нейтральный белый – 5000 K.

Графическое и буквенное изображение на схеме

Анод, он же плюс светодиода на электрических схемах изображается треугольником. Катод (минус) — поперечной черточкой.

Внешний вид светодиода АЛ307 и его обозначение на чертежах и схемах.

Часто используемым сокращением является латинская аббревиатура HL

Характеристики светодиодов

Светодиоды описываются множеством параметров. Важнейшие из них:

• сила света и энергетическая эффективность – Лм и Лм/Вт;
• угол расхождения светового потока по уровням 0,5 или 0,7, градусы – у обычных от 120 до 140 град., у индикаторных моделей – от 15 до 45 град.;
• мощность, потребляемая при работе, Вт – малая – до 0,5, средняя – 0,5-3, большая – более 3;
• рабочий ток через диод, мА или А;
• цвет или оттенок белого света, цветовая температура, градусы Кельвина, К – от 2000-2500 К – теплый белый и до 6500-9500 К – белый холодный.

Есть и другие характеристики, но они используются реже. Например, вольт-амперная характеристика, ВАХ светодиода – кривая зависимости тока через переход от приложенного к нему рабочего напряжения. Применяется при электрических расчетах режима работы светодиода.

Размеры

Размеры светодиода определяются габаритами его корпуса. Для корпусов SMD – длина, ширина, толщина. Первые две величины заложены в обозначении, например, SMD2835, где две пары цифр – это 2,8 мм – ширина и 3,5 мм – длина. Толщину корпуса нужно брать из описания или паспорта на диод.

Размеры SMD3528 и SMD2835. Справа внизу серый уголок – ключ, обозначающий катод.

Для цилиндрических DIP-диодов важные характеристики – диаметр корпуса и его высота с линзой. При этом нужно учесть длину проволочных выводов и рекомендации производителя по их изгибу перед монтажом.

Длина волны

Такая характеристика светодиодов, как длина волны используется очень редко. Чаще называют цвет свечения.

Оттенок цвета	Длина волны, нм
Инфракрасный (невидимый)	760-880
красный	620-760
оранжевый	585-620
желтый	575-585
желто-зеленый	555-575
зеленый	510-555
голубой	480-510
синий	450-480
фиолетовый	390-450
Ультрафиолетовый (невидимый)	10-390

Длина волны свечения диода измеряется в нанометрах – нм. В паспортных данных изделия она указывается не всегда.

Светодиод: принцип действия.

Принцип действия светодиода основан на так называемом p-n (электронно-дырочном) переходе.

Светодиод включает в себя полупроводниковый p-n переход, где материал — n обогащён отрицательными носителями заряда (приобретают дополнительные электроны), а материал – p положительными носителями заряда (приобретают «дырки» места, где отсутствуют электроны на орбитах атомов).

Когда в диоде возникает электрическое поле, электроны из материала — n и дырки из материала – p, устремляются к p – n переходу, где электроны инжектируются в – p материал.

При подаче отрицательного напряжения со стороны – n проходит ток в материал – p (прямое смещение).

При переходе из – n в – p избыточные электроны рекомбинируют с «дырками» при этом выделяется энергия из элементарных частиц фотонов и светодиод испускает свечение.

Обозначение светодиода в электрических схемах.

Светодиод может работать только при пропускании через него тока в прямом направлении (анод положительный потенциал относительно катода).

Недопустимо подключение светодиода обратной полярностью к источнику напряжения, светодиоды обычно имеют невысокое обратное пробивное напряжение, поэтому если в схеме возможно обратное напряжение светодиод нужно дополнительно защитить параллельно подключённым обычным диодом.

Подключать светодиод к источнику напряжения можно только через ограничитель тока, например через последовательно подключённый резистор.

Некоторые диоды могут иметь встроенную в корпус токоограничивающую цепь.

Для мощных светодиодов также применяются схемы, с широтно импульсной модуляцией которые могут поддерживать среднее значение тока на заданном уровне.

При пропускании через светодиод тока превышающего предельно допустимые параметры, светодиод мгновенно перегревается и выходит из строя.

Преимущества применения светодиодов в качестве источников света.

Высокая светоотдача до 146 люмен на ватт.

Современные светодиоды имеют широкий спектр свечения от 2700 К (теплый белый) до 6500 К (холодный белый).

Низкая инерционность, светодиод включается сразу на полную яркость.

Угол излучения от 15 до 180 градусов.

Механическая прочность и вибростойкость.

Светодиоды не чувствительны к низким температурам.

Продолжительный срок службы светодиодов, некоторые светодиоды могут работать до 100000 часов.

На продолжительность службы светодиодов не влияет количество циклов включения-выключения, в отличие от газоразрядных ламп и ламп накаливания.

Экологичность – в отличие от люминесцентных ламп для производства светодиодов не используются опасные материалы, такие как ртуть и фосфор.

Недостатки светодиодов.

При недостаточном отводе тепла у мощных светодиодов происходит деградация и падение яркости кристалла.

Светодиоды чувствительны к перепадам напряжения, повышенное напряжение приводит к перегреву светодиода и сокращает срок его службы.

Применение светодиодов.

Современные мощные светодиоды применяются в промышленном и бытовом освещении, светодиоды используются в качестве источников света в лампах, фонарях, светильниках, светодиодных лентах.

Светодиоды применяются в подсветке жидкокристаллических экранов телевизоров, мониторов, мобильных телефонов.

Маломощные светодиоды применяются в качестве индикаторов для бытовых и промышленных приборов, используются в панелях управления и пр.

Поделиться в соц. сетях

Преимущества светодиодных ламп

Современные источники света должны быть экономичными, эффективными и безопасными. Светодиоды полностью подходят под эти характеристики. Для работы светоизлучающего диода требуется небольшое количество энергии, при этом они выдают яркое освещение с минимальным выделением тепла. Светодиодные источники света обладают пониженной чувствительностью к скачкам в сети и имеют большое количество циклов включения и выключения. При подаче напряжения они загораются сразу, не нужно время для разогрева. Светодиоды для ламп освещения выгодно отличаются от других источников света своим долгим сроком службы – до 50000 часов.

Безопасность светодиодов заключается в отсутствии в них вредных компонентов. В колбе отсутствуют пары ртути и смесь инертных газов, поэтому они не требуют особых условий утилизации. Также светодиоды выполняются в прочном качественном корпусе. Устройства имеют низкий коэффициент пульсаций, поэтому они безопасны для человеческого здоровья.

Монтаж потолочной светодиодной люстры

Светодиодные люстры отличаются многообразием видов. Одно устройство способно включать в себя более десяти ламп. Вне зависимости от размера и числа светильников, каждая люстра монтируется в определенном расположении.

Светодиодные люстры для дома имеют ключевое отличие, которое заключается в пульте дистанционного управления. Светодиодные люстры потолочные для дома с пультом могут обесточиваться посредством стандартного выключателя.

Если светодиодные люстры потолочные для дома собраны, необходимо проверить микроконтроллеры, а также сам блок питания ламп. Поскольку компоненты свободно перемещаются, допустимо обернуть их при помощи двухстороннего скотча и закрепить к корпусу изделия.

Перед монтированием потолочной люстры, важно разобраться с подключением электрических частей. Нередко колодок может не оказаться в базовой комплектации, поэтому необходимо докупить детали

У микроконтроллера имеется отводка, состоящая из трех основных проводов. Первый провод полосатый — является заземлением. В колодке он прикреплен в свободный разъем.

На корпусе контроллера изображена схема подключения к электрической сети и указывается, какой проводник размыкает выключатель и отвечает за нагрузку. Необходимо воспользоваться тестером и отыскать фазный провод.

Монтажные планки идут в комплектации с люстрами. От размеров изделия зависит, какой тип планки использовать — крестообразный либо стандартный. Стандартная планка потребует наличие двух болтов, а крестообразная четырех.

При помощи декоративных болтов осуществляется монтаж потолочной люстры к планке, и проверяется работоспособность устройства.

Светодиодные люстры плюсы и минусы:

• оперативность монтажа;
• люстры светодиодные потолочные с пультом (фото);
• простая схема подключения к электрической цепи;
• полноценная базовая комплектация и др.

Прямое включение диода

На p-n-переход диода может оказывать воздействие напряжение, подаваемое с внешних источников. Такие показатели, как величина и полярность, будут сказываться на его поведении и проводимом через него электрическом токе.

Ниже подробно рассмотрен вариант, при котором происходит подключение плюса к области p-типа, а отрицательного полюса к области n-типа. В этом случае произойдет прямое включение:

1. Под воздействием напряжения от внешнего источника, в p-n-переходе сформируется электрическое поле, при этом его направление будет противоположным относительно внутреннего диффузионного поля.
2. Напряжение поля значительно снизится, что вызовет резкое сужение запирающего слоя.
3. Под воздействием этих процессов значительное количество электронов обретет возможность свободно переходить из p-области в n-область, а также в обратном направлении.
4. Показатели тока дрейфа во время этого процесса остаются прежними, поскольку они напрямую зависят только от числа неосновных заряженных носителей, находящихся в области p-n-перехода.
5. Электроны обладают повышенным уровнем диффузии, что приводит к инжекции неосновных носителей. Иными словами, в n-области произойдет повышение количества дырок, а в p-области будет зафиксирована повышенная концентрация электронов.
6. Отсутствие равновесия и повышенное число неосновных носителей заставляет их уходить вглубь полупроводника и смешиваться с его структурой, что в итоге приводит к разрушению его свойств электронейтральности.
7. Полупроводник при этом способен восстановить свое нейтральное состояние, это происходит благодаря получению зарядов от подключенного внешнего источника, что способствует появлению прямого тока во внешней электрической цепи.

Технология RGB

Принцип работы RGB-светодиода основывается на оптическом эффекте, позволяющем получить разнообразные цветовые оттенки в результате смешения трех основных компонентов палитры. На одной матрице установлены сразу три кристалла. Для адаптации к различным условиям существует несколько модификаций изделий. Они изготавливаются с общим катодом или анодом, а иногда и без таковых (с шестью основными выводами).

Чаще всего световая технология используется для оформления рекламных щитов, декорирования строений, обрамления мостов, памятников архитектуры и других конструкций. Принцип работы многоцветного светодиода идентичен. Однако конструктивные особенности увеличивают конечную стоимость изделий и усложняют схему подсоединения к электрической сети.

Что такое полупроводниковый диод – выпрямитель переменного тока

Диодами называют двухэлектродные приборы, обладающие односторонней проводимостью электрического тока. Это их основное свойство используют, например, в выпрямителях, где диоды преобразуют переменный ток электросети в ток постоянный для питания радиоаппаратуры, в приемниках — для детектирования модулированных колебаний высокой частоты, то есть преобразования их в колебания низкой (звуковой) частоты.

Наглядной иллюстрацией этого свойства диода может быть такой опыт. В цепь, составленную из батареи 3336Л и лампочки от карманного фонаря (3,5 В X 0,26 А), включи любой плоскостной диод, например, из серии Д226 или Д7, но так, чтобы анод диода, обозначаемый условно треугольником, был бы соединен непосредственно или через лампочку с положительным полюсом батареи, а катод, обозначаемый черточкой, к которой примыкает угол треугольника, с отрицательным полюсом батареи. Лампочка должна гореть.

Размеры диодов.

Измени полярность включения батареи на обратную — лампочка гореть не будет. Если сопротивление диода измерять омметром, го в зависимости от того, как подключить его к зажимам прибора, омметр покажет различное сопротивление: в одном случае малое (единицы или десятки ом), в другом — очень большое (десятки и сотни килоом). Этим и подтверждается односторонняя проводимость диода.

У диода два электрода: катод — отрицательный и анод — положительный (рис. 13). Катодом служит пластинка германия, кремния или какого-либо другого полупроводника, обладающего электронной проводимостью, или сокращенно полупроводник n-типа (n — начальная буква латинского слова negativus — «отрицательный»), а анодом – часть объема этой же пластинки, но- с так называемой дырочной про-водимостью, или сокращенно полупроводник р-типа (р — начальная буква латинского слова positivus — «положительный»).

Между электродами образуется так называемый р-n переход — пограничная зона, хорошо проводящая ток от анода к катоду и плохо в обратном направлении (за направление тока принято направление, противоположное движению электронов). Диод может находиться в одном из двух состояний: открытом, то есть пропускном, либо закрытом, то есть непропускном. Диод бывает открыт, когда к нему приложено прямое напряжение Uпр, иначе, его анод соединен с плюсом источника напряжения, а катод — с минусом.

В этом случае сопротивление р-n перехода диода мало и через него течет прямой ток IПр, сила которого зависит от сопротивления нагрузки (в нашем опыте — лам-почка от карманного фонаря). При другой полярности питающего напряжения на р-n переход диода прикладывается обратное напряжение Uобр. В этом случае диод закрыт, его сопротивление велико и в цепи течет лишь незначительный обратный ток диода Iобр. О зависимости тока, проходящего через диод, от значения и полярности напряжения на его электродах лучше всего судить по вольтамперной характеристике диода, которую можно снять опытным путем.

Разные типы диодов.

Область применения

Сфера использования этих деталей в современной радиотехнике высока. Сложно найти устройство, которое работает без этих деталей. Чтобы понять, для чего нужен диод, можно привести несколько примеров:

• Диодные мосты — содержат от 4 до 12 полупроводниковых устройств, которые соединяются между собой. Основной задачей диодных мостов является выпрямление тока, и они активно используются, например, при создании генераторов для автомобилей.
• Детекторы — создаются при сочетании диодов и конденсаторов. В результате появляется возможность выделить низкочастотную модуляцию из различных сигналов. Применяются при изготовлении радио- и телеприемников.
• Защитные устройства — позволяют обезопасить электрическую схему от возможных перегрузок. Несколько изделий подключаются в обратном направлении. Когда схема работает нормально, то они остаются в закрытом положении. Как только входное напряжение достигает критических показателей, устройство активируются.
• Переключатели — такие системы на основе этих изделий позволяют осуществлять коммутацию высокочастотных сигналов.
• Системы искрозащиты — создание шунт-диодного барьера позволяет ограничить показатель напряжения в электроцепи. Для увеличения степени защиты вместе с полупроводниковыми деталями используются специальные токоограничивающие резисторы.

Это лишь несколько примеров использования диодов. Они являются достаточно надежными устройствами, с помощью которых можно решать большое количество задач. Чаще всего эти радиодетали выходят из строя по причине естественного старения либо из-за перегрева.

От чего зависит цвет светодиода

Варианты получения излучения белого 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.

Ремонт контроллера LN-IR24B RGB светодиодных лент

Если проверка ПДУ, блока питания и RGB светодиодной ленты подтвердила их исправность, значит, неисправен контроллер и следует его заменить или отремонтировать.

Ремонт контроллера начинается с осмотра печатной платы. Для этого нужно снять крышку-дно, отжав лезвием ножа боковую стенку в сторону.

На боках крышки имеются по два квадратных отверстия, за которые цепляются фиксаторы основания корпуса, и крышка надежно закрепляется.

Печатная плата в корпусе зафиксирована только со стороны припайки проводников несколькими каплями силикона. Для освобождения печатной платы нужно лезвием ножа подрезать силикон вдоль стенок корпуса. Работать нужно аккуратно, чтобы не перерезать провода.

После извлечения печатной платы нужно внимательно внешним осмотром проверить ее на отсутствие дефектов – холодных паек выводов деталей, следов их перегрева в виде потемнений маркировки или копоти на корпусе, перегрева проводников или их разрушения.

Если дефектов не обнаружено, значит, неисправны радиоэлементы. Микросхемы редко выходят из строя, узким местом в контроллерах обычно являются силовые ключи, которые выходят из строя, как правило, из-за нарушения правил эксплуатации, а именно, перегрузке по току. Все три ключа выходят из строя очень редко, чаще один, средний (управления зеленым цветом), так как подогревается соседними транзисторами и в результате работает в более тяжелых температурных условиях.

Если предельный ток нагрузки указан 2 А, то для надежной работы контроллера нагружать выходы надо током не более 1,8 А, а лучше 1,5 А. Тогда контроллер прослужит долго.

Ключи в контроллере LN-IR24B выполнены на трех полевых транзисторах mosfet P3055LD в корпусе DPAK (TO-252) для SMD-монтажа, выдерживающие ток нагрузки до 12 А. Но в контроллере транзисторы не установлены на теплоотводы и поэтому допустимый ток нагрузки ограничен до 2 А.

Ниже приведена структурно-монтажная схема светодиодной RGB системы освещения. Пути прохождения цифровых сигналов с микросхемы на затворы полевых транзисторов показаны линиями соответствующих цветов.

Проверять работу контроллера лучше всего с помощью осциллографа. Тогда появится возможность проверить как работу микросхем, так и транзисторов. Для проверки достаточно подать на контроллер питающее напряжение. RGB ленту подключать не обязательно. Далее с помощью ПДУ, направленного на сенсор последовательно нажать сначала на кнопку ON (включить), а затем W (белый). Таким образом, контроллер будет включен в режим свечения светодиодной ленты белым светом (будут светиться все три цвета).

Общий провод осциллографа подключается к +12 В, а щупом прикасаются последовательно к затворам каждого из транзисторов. На экране осциллографа должны наблюдаться прямоугольные импульсы размахом около 5 В. Если импульсов нет, то концом щупа прикасаются с другого конца токоограничительного резистора. Если и в этом случае импульсы не появились, то возможно вышла из строя микросхема или на нее не поступает цифровой сигнал с микросхемы сенсора. В случае неисправности микросхем, ремонт контроллера экономически нецелесообразен.

В случае наличия сигналов с микросхемы нужно последовательно прикоснуться щупом к стокам транзисторов (местам пайки выходных RGB проводников). Если транзисторы исправны, то на экране осциллографа должны появиться прямоугольные импульсы размахом около 12 В, как на фотографии. Если импульсов нет, значит в обрыве переход транзистора исток-сток, если импульсы размахом всего 5 В, значит, имеет место пробоя между затвором и стоком, а вывод истока в обрыве. Неисправный транзистор подлежит замене.

В случае, если в светодиодном освещении не горит один или два цвета, то проверить ключевые транзисторы неработающих каналов можно и без осциллографа. Для этого нужно выходной провод отсутствующего цвета, и на котором присутствует цвет, поменять местами, перепаяв на плате. Например, лента не светит красным цветом, зеленый и синий цвета есть. Отпаиваете от платы красный провод и зеленый. Красный припаиваете на место зеленого, а зеленый на место красного. Включаете систему, если красный цвет появился, а зеленый нет, значит, точно не работает ключевой транзистор и его нужно заменить.

Полевой транзистор P3055LD в корпусе DPAK (ТО-252) и его аналоги часто применяются в материнских платах компьютеров. Для замены при ремонте контроллеров я использовал аналог транзистора P3055LD, транзисторы типа P3055LDG и PHD3355L из неисправных материнских плат компьютеров.

Светодиоды типа COB

Подобные элементы начали использоваться для лампочек и фонарей с мощным светодиодом. Принцип работы изделий остается тем же, но к алюминиевой основе в данном случае крепятся десятки кристаллов при помощи диэлектрического клеевого состава. Полученная матрица обрабатывается одним слоем люминофора, в результате чего образуется световой источник с равномерным распределением основного потока.

Одной из разновидностей технологии является вариант с распределением большого количества кристаллов по стеклянной поверхности. По этой схеме изготавливаются филаментные лампы, у которых в качестве базового источника выступает центральный стержень из стекла, покрытый мелкими светодиодами и обработанный люминофором.

В чем самые главные плюсы технологии LED?

Одной из главных особенностей светодиодов является его высокий КПД. Дело в том, что обычная лампа накаливания при работе выделяет очень много тепла, а вот светодиод, напротив, остается достаточно холодным. Все это происходит из-за того, что он в большую часть света производит именно в видимом для человека спектре и не расходует энергию на ненужные длины волн. Это позволяет технологии LED серьезно доминировать над уже устаревшими лампами накаливания. Кроме того, светодиоды гораздо меньше по размеру и их можно располагать благодаря этому как угодно и где угодно.

Можно выстраивать из них целые фигуры и даже программировать последовательность того, как они загорятся с помощью мини-компьютеров. Таким образом, это дает очень большой толчок для дальнейшего развития и совершенствования, но довольно лирики.

Какие цвета может излучать светодиод?

Многие заблуждаются в том, что светодиоды светят тем цветом, в который окрашен их корпус, хотя как мы уже говорили ранее, для регулировки цвета и регулировки его интенсивности нужно подбирать подходящий полупроводниковый материал. Именно он является определяющим фактором, если нужно подобрать цвет. Однако, светодиоды могут излучать не все цвета и есть точный спектр, который получить возможно.

Наиболее распространенные цвета — это красный, желтый, зеленый и оранжевый. Это все потому, что их легче производить, а соответственно и стоят они в разы дешевле ново появившихся синих и белых. Взгляните на эту таблицу, чтобы понять, какому напряжению соответствуют итоговые цвета:

Цвета, которые бывают у светодиодов

Давайте теперь подробно остановимся на конкретных материалах, которые влияют на выбор цвета:

• арсенид галлия для получения инфракрасного (например, в пульте);
• фосфид арсенида, чтобы получить оранжевый и весь спектр от красного и до инфракрасного;
• фосфид арсенида галлия алюминия для ярко-красного, красно-оранжевого и даже желтого;
• фосфид алюминия-галлия для зеленого;
• фосфид галлия для желтого, зеленого и красного;
• нитрид галлия, чтобы получить изумрудно-зеленый;
• нитрид галлия-индия для бирюзового, синего и ближнего ультрафиолетового;
• карбид кремния для синего;
• селенид цинка и опять для синего;
• нитрид алюминия-галлия для ультрафиолета.

Взглянув на этот список можно заметить, что для некоторых цветов подойдет сразу несколько полупроводников и это действительно так. Это уже сам производитель выбирает, какие полупроводники ему выбрать. Может быть, ему легче достать именно этот тип, а не другой, или он просто дешевле. Да, вот так много разных материалов нужно, чтобы создать даже очень простенький современный телевизор, например.