Як працює світлодіод: принцип роботи

У перекладі з англійської скорочення LED дослівно означає «діод, що випромінює світло». Це напівпровідниковий пристрій, здатне трансформувати електричний струм у світлове випромінювання. Це просте пристосування, конструкція якого досить сильно відрізняється від звичних нам виробів для освітлення (лампи розжарювання, розрядні, люмінесцентні лампи тощо). Як працює світлодіод, буде цікаво дізнатися кожному. Цей прилад не має спочатку ненадійних крихких елементів конструкції і скляної колби (на відміну від інших ламп). Вартість діодів настільки мала, що ненабагато відрізняється від батарейок, які служать джерелом їх живлення. Популярність подібних виробів пояснюється рядом факторів, у тому числі і їх конструкцією.

Історія виникнення

Розглядаючи питання, чому працюють світлодіоди, слід вивчити історію їх виникнення. Вперше подібний пристрій було створено в 1962 р. ученим Н. Холоньяком. Це був монохромний діод червоного світіння. Він мав ряд недоліків, але сама технологія була визнана перспективною. Через 10 років після створення червоного діода з'явилися зелені і жовті різновиди. Їх застосовували в якості індикаторів у багатьох електронних приладах. Інтенсивність світлового потоку діодів завдяки науковим розробкам постійно зростала. У 90-х роках був створений освітлювач з ефективністю потоку 1 люмен. У 1993 році С. Накамура створив перший синій діод, який характеризувався високою яскравістю. З цього моменту стало можливим створювати будь-які кольори спектра (у тому числі білий). Технології невпинно розвивалися.


При з'єднанні синього та ультрафіолетового типу діодів виходить білий люминофорний освітлювач. Вони стали поступово витісняти лампи розжарювання. До 2005 року випускалися діоди з потужністю світлового потоку до 100 лм і навіть вище. Стали виготовляти білі освітлювальні прилади з різними відтінками (теплі, холодні).

Пристрій світлодіода

Щоб зрозуміти, як працює точковий світлодіод, необхідно детально розглянути його пристрій. Цей освітлювальний прилад, за думку представників Асоціації розвитку оптоелектронної індустрії та департаменту енергетики, незабаром стане найбільш затребуваним джерелом освітлення в звичайних будинках, офісах, установах. Світлодіод має основою напівпровідниковий кристал. Він пропускає електричний струм тільки в одну сторону. Кристал розташований на особливій підкладці. Вона не проводить струм. Корпус захищає кристал від зовнішніх впливів. Він має виходи у вигляді контактів, а також оптичну систему. Щоб підвищити тривалість експлуатації приладу, простір між пластиковою лінзою і самим кристалом заповнили прозорим силіконовим компонентом. Щоб відводити надлишкове тепло, застосовується алюмінієва основа. Це звичайний пристрій сучасного діода. При роботі він виділяє відносно невелика кількість теплоти. Це також є перевагою приладу.

Принцип роботи

Розглядаючи, як працює світлодіод, необхідно вникнути в основний принцип роботи подібних пристроїв. Прилад представленого типу має один електронно-дірчастий перехід. Це пов'язано з різним принципом провідності компонентів освітлювача. Один напівпровідник має надлишок електронів, а інший – надлишок дірок.
За допомогою процесу легування дірчастий матеріал збагачується носіями негативного заряду. Якщо в місці збагачення напівпровідників протилежними зарядами докласти струм, вийде пряме зміщення. Через перехід цих двох матеріалів побіжить електрика. При цьому в корпусі діода відбувається сплавлення носіїв зарядів з різним електричним статусом. Коли дірки і електрони стикаються, виділяється певна кількість енергії. Це квант світлового потоку. Його називають фотонами.

Колір світлодіода

При створенні діодів застосовуються різні напівпровідникові матеріали. Це визначає колір, який випускає при роботі представлене пристрій. Різні матеріали здатні посилати в простір хвилі різної довжини. Це дозволяє людського ока побачити той чи інший колір видимого спектру. Вивчаючи питання, як працює світлодіод, слід розглянути матеріали напівпровідників. Раніше в подібних цілях застосовувалися фосфід галію, потрійні з'єднання GaAsP, AlGaAs. При цьому прилад міг посилати в простір червоний, жовто-зелений світловий потік. Представлена технологія нині застосовується тільки для індикаторних пристроїв. Сьогодні для таких виробів використовують алюміній індій-галій (AllnGaP) і індій-нітрид галію (InGaN). Вони витримують досить високий рівень минаючого струму, високі показники вологості і нагріву. Можлива комбінація світлодіодів різних типів.

Змішання квітів

Сучасні діодні стрічки можуть видавати різні відтінки світлового потоку. Один прилад може виробляти монотонний колір. При створенні многокристального пристрою можливо отримати величезну кількість різних відтінків. Подібно до телевізора або монітора комп'ютера, діод може створити будь-який колір за допомогою моделі RGB (розшифровується як червоний, зелений, синій). Це простий принцип, що дозволяє зрозуміти, як працюють RGB світлодіоди. За допомогою цієї технології можна створювати і біле освітлення. Для цього всі три кольори змішуються в рівній пропорції. Однак, крім представленої технології, можна отримати біле світіння при з'єднанні діода короткохвильового випромінювання (ультрафіолетове, синій) разом з жовтим покриттям люмінофорного типу. При комбінації фотонів жовтого і синього кольорів у підсумку виходить біле світіння.

Виробництво

Щоб зрозуміти, від скількох вольт працюють світлодіоди, необхідно розглянути виробництво цих пристроїв. В першу чергу слід зазначити, що прилади з матрицею типу RGB коштують дорожче, ніж люминоформи. Причому останні дозволяють добитися освітлення високої якості. Недоліком люмінофорів є менша світловіддача, а також різне забарвлення (температура) потоку. Це пристрій старіє швидше, ніж світлодіод. Тому в продаж поступають освітлювальні прилади обох принципів роботи. Для створення індикаторів виробляються діоди з споживанням В 2-4 напруги постійного типу (при струмі 50 мА). Для створення повноцінного висвітлення необхідні пристрої з таким же споживанням напруги, але більш високим рівнем струму - до 1 А. Якщо в одному модулі діоди підключити послідовно, сумарна напруга буде досягати 12 або 24 в

Посилення яскравості

Розглядаючи питання, від якого напруги працюють світлодіоди, слід сказати про підвищення яскравості представлених пристроїв. Потужність таких приладів досягає 60 мВт. Якщо подібні діоди встановити в середній за габаритами корпус, світлових елементів буде потрібно встановити 15-20 шт. Діоди з посиленою яскравістю світіння можуть нести в собі потужність 240 Вт. Щоб забезпечити нормальну підсвічування, подібних елементів потрібно 4-8 шт. У продажу представлені пристрої, здатні повноцінно висвітлювати приміщення, зовнішню рекламу, вітрини і т. д. Деякі стрічки створюються для виконання підсвічування середньої або малої інтенсивності. Для підключення представленого обладнання застосовують блоки управління відповідної потужності. Для кольорових стрічок можливо застосовувати контролери, керуючі не тільки інтенсивністю освітлення, але і задають відтінки та режими роботи пристрою.

Управління світінням

Існує величезна кількість варіантів представленого обладнання. Є світлодіоди, що працюють від батарейок (наприклад, в ліхтариках), які живляться в стаціонарну мережу. Їх застосовують як для внутрішньої, так і зовнішньої роботи. Залежно від умов застосування підбирається відповідний клас захисту діода. Щоб відрегулювати яскравість свічення, напруга живлення не знижують. Для зменшення інтенсивності світіння застосовується широтно-імпульсна модуляція (ШІМ). У цьому разі отримується блок управління. Представлений метод полягає в подачі на діод імпульсно-модульованого струму. Частота сигналу при цьому досягає тисяч герц. Може бути змінена ширина імпульсів і інтервалів пауз. При цьому можна керувати світлом приладу. Діод в цьому випадку не згасне.

Довговічність

Діоди довговічними вважаються пристроями. Це пояснюється їх конструкцією. Однак якщо не працюють світлодіоди на лампі, можливо, термін їх експлуатації вийшов. Це можна визначити по насиченості світіння і зміни кольору. Також фахівці відзначають, що термін експлуатації малопотужних пристроїв набагато триваліше. Але навіть в самих яскравих стрічках або лампах діоди гарантовано працюють 20-50 тис. годин. Так як вони не мають крихких елементів конструкції, механічні дії з більшою ймовірністю не завдадуть шкоди подібним освітлювачам. Вивчивши, як працює світлодіод, можна зрозуміти принцип пристрою цього приладу, а також його експлуатаційні характеристики. Це обладнання вважається освітлювачі майбутнього покоління.