Co to jest dioda LED - szczegółowy opis właściwości i typów

Diody LED są wszędzie: w domach, samochodach, telefonach. Można je wykorzystać do rozjaśniania ekranów gadżetów lub do tworzenia energooszczędnych źródeł światła. Obecnie jest to niezastąpione źródło światła. Przyjrzyjmy się urządzeniom i cechom technicznym głównych typów diod LED.

Co to jest dioda LED

Dioda LED (od angielskiego Light Emitting Diode, czyli dioda elektroluminescencyjna) - półprzewodnikowe źródło sztucznego światła, wykonane z materiałów półprzewodnikowych o przewodnictwie p i n. Przy użyciu różnych technik - nakładania maski, wytrawiania, osadzania epitaksjalnego itd. - wytwarza się złącze p-n.

W materiale półprzewodnikowym typu p nośnikami prądu są "dziury" - atomy w krysztale półprzewodnika, które poprzez domieszkowanie specjalnymi metalami powodują brak elektronów. W n-materiałach nośnikami są nadmiarowe elektrony w krysztale.

W rzeczywistości "dziura" jest nieruchoma. Ma on ładunek dodatni równy ładunkowi elektronu. Elektron "przeskakujący" z zewnętrznej orbity jednego atomu na zewnętrzną orbitę sąsiedniego atomu przesuwa "dziurę" w przeciwnym kierunku.

Jak działa, czyli co świeci na diodach LED

Prąd elektryczny w postaci przeciwprądowego przepływu nośników ładunku elektrycznego - "dziur" - "cząstek" dodatnich i elektronów - "cząstek" ujemnych można wywołać, podłączając do złącza p-n stałe napięcie o określonej wielkości i polaryzacji. Gdy strumienie te spotkają się w złączu p-n, następuje ich rekombinacja lub połączenie. Wolny elektron o zwiększonej energii wchodzi do dziury i znika.

Schematyczny rysunek diody elektroluminescencyjnej.

Po prawej stronie znajduje się część n-półprzewodnikowa kryształu "wzbogacona" o swobodne elektrony, a po lewej - część p-półprzewodnikowa z dodatnimi "cząstkami" - "dziurami".

Energia jest uwalniana w postaci kwantów światła. Są one emitowane, tj. wypromieniowywane z końca kryształu. Strumień kwantów uderza w reflektor. Jego polerowana powierzchnia odbija światło w pożądanym kierunku. Pożądany wzór kierunkowy strumienia świetlnego jest tworzony przez specjalną konfigurację powierzchni.

Schemat wytwarzania światła w złączu p-n.

Napięcie zasilające złącze jest przykładane "+" do anody diody, a "-" do katody.

Projekt

Struktura diodowa w przekroju pionowym.

Kolor liliowy oznacza podłoże rozpraszające ciepło. Szare trapezy przedstawiają przekroje poprzeczne aluminiowego reflektora kołowego. W środku niebieskiej płytki znajduje się układ scalony LED ze złotymi lub srebrnymi drucikami przylutowanymi do styków anody i katody.

Rodzaje diod LED

Diody LED - dość "młode" urządzenie. Ich ostateczna klasyfikacja nie została jeszcze ustalona. Z tego powodu wielu znanych producentów stosuje własne systemy podziału.

Zgodnie z jedną z nich diody LED są pogrupowane w następujący sposób, w zależności od ich przeznaczenia:

1. Wskaźnik.
2. Oświetlenie.

Diody sygnalizacyjne LED dzielą się na następujące typy.

Diody DIP .

Skrót pochodzi od słów Dual In-line Package lub "double in-line arrangement" (układ podwójnej linii). Zazwyczaj obudowy mają kształt walca, ale zdarzają się też równoległościany. Na dolnym końcu znajdują się osiowe wyprowadzenia przewodów, które są równoległe do głównej osi symetrii obudowy. Przewód katody jest krótszy niż przewód anody.

Widok diody DIP LED nad płytką drukowaną, pokazujący lutowanie w metalizowanych otworach.

Podział na typy według średnicy obudowy i obiektywu na najwyższym poziomie. Średnice wynoszą od 2-3 mm do 20 mm lub więcej. Kolor żarzenia - dowolny kolor, istnieje kilka odcieni bieli.

Jeden typ miga w 2 kolorach i ma 3 przewody.

Słomkowy kapelusz.

Dosłowne tłumaczenie kapelusza słomkowego lub z rondem. W przypadku zastosowania do diod LED – Obudowa wygląda jak kapelusz z zaokrąglonym wierzchołkiem.

Odmiana diody DIP nazywana jest Straw Hat lub "słomkowym kapeluszem".

Widać przewody o różnych długościach, z których krótszy jest katodą. Widoczne są również ograniczniki wysokości montażu. Pod soczewką znajduje się kryształ z żółtym luminoforem.

Super Flux "Pirania"

Bezpośrednie tłumaczenie - superstrumień. Piranha jest tłumaczona na język rosyjski jako pirania. Nazwa Pirania pochodzi od metalowych końcówek w postaci wąskich pasków. Dioda LED została wyprodukowana z obciętymi rogami na końcach przewodów podczas tłoczenia, aby ułatwić jej montaż w otworach na płytce drukowanej. W ten sposób powstały ostre "zęby" ryby drapieżnej.

Na kołkach wytłoczone były ramiona - ograniczniki, które wyznaczają wysokość obudowy nad płytą. Otworzyło to obudowę na chłodzenie powietrzem od dołu. Kryształy do pasywnego chłodzenia są umieszczone na górnych końcach styków.

Umieszczenie 2 lub 3 chipów w obudowie pozwoliło zwiększyć strumień światła. Dzięki temu dioda ta jest jedną z najjaśniejszych diod LED.

Pirania LED w przezroczystej obudowie.

Widać kryształ "przykryty" przez soczewkę oraz stożkowe trzpienie tworzące wysokość mocowania.

SMD

Skrót od Surface Mounted Device (Urządzenie montowane powierzchniowo), co oznacza Surface Mounted Device (Urządzenie montowane powierzchniowo). Są to prostokątne obudowy z tworzywa sztucznego lub ceramiki. Zaciski znajdują się na spodzie i z boku obudowy w postaci płytek stykowych.

Najczęściej świeci, ale przy małej mocy może również wskazywać. Pojemności mieszczą się w zakresie od mW (miliwatów) do W. Blask - dowolny kolor lub odcień białego światła.

Przeczytaj także: Charakterystyka diod LED SMD

OLED

Oprócz półprzewodnikowych diod LED opartych na metalach półprzewodnikowych - krzemie, germanie, arsenku galu itp. istnieje grupa diod LED na warstwach związków organicznych. Są one nazywane organicznymi lub OLED (Organic Light Emitting Diode - organiczna dioda elektroluminescencyjna).

Podobnie jak diody półprzewodnikowe, emitują one światło, ale nie w strukturze półprzewodnikowej, lecz za pomocą cienkich warstw. Jak dotąd główne zastosowanie znajduje w rozwoju wyświetlaczy monochromatycznych. Istniejącą wadą kolorowych folii OLED jest różny czas działania folii o różnych kolorach luminescencji. Minimalnie jest to około 12-15 tys. godzin.

Takie diody LED, po udoskonaleniu, będą szeroko stosowane w telefonach komórkowych, samochodowych i morskich urządzeniach nawigacyjnych GPS, noktowizorach i urządzeniach do nocnych polowań i strzelań itp.

Wideo - przegląd: porównanie ekranów QLED, OLED i LCD (IPS).

Filament

W latach 2012-2013 pojawiły się nietypowe diody LED, które nazwano Filament. Zasadniczo są to matryce COB w postaci długich cylindrów o średnicy 2-3 i długości 15-30 mm. Na szklanym lub szafirowym cylindrze naklejono 28-30 niebieskich kryształów z wtrąceniami kilku czerwonych. Są one łączone w kolejne łańcuchy i po sprawdzeniu poprawności działania napełniane żółtym fosforem.

Ta technologia żarnika nosi nazwę Chip-On-Glass (COG).

Prefabrykowane matryce COG są umieszczane na oprawach konwencjonalnych lamp żarowych, instalowane w podstawie i obudowywane szklaną lub plastikową bańką. Bańka jest wypełniona helem, który chłodzi diody LED.

Moc lamp wynosi od 2-3 do 10-12 W. Strumień świetlny odpowiada skuteczności świetlnej konwencjonalnych diod LED, która wynosi 80-100 lm/W.

Rezultatem jest modernizacja żarówki za pomocą diody LED. Lampa ta jest często błędnie nazywana żarówką LED.

Termin retrofit pochodzi od słowa retrofit. Są to nowe źródła światła w obudowach o tradycyjnych wymiarach.

Żarówka filamentowa LED w żarówce balonowej.

Żarówka o dużej mocy w wydłużonej bańce.

Na powyższych rysunkach przedstawiono różne moce i producentów. Żarówki LED. W szklanej żarówce z trzonkiem E27 moduły żarnika COL są przymocowane do oprawy żarnika.

Typ PCB Star

Skrót oznaczający ten typ diody pochodzi od angielskiego wyrażenia Printed Circuit Board. Oznacza to płytkę obwodu drukowanego.

Płytka drukowana Star diode.

Płytka drukowana Star diode. Wyprodukowany przez amerykańską firmę CREE, model XML. Żółty prostokąt to matryca COB diody dużej mocy.

Płyta jest wykonana z metalu, który dobrze przewodzi ciepło, np. z aluminium. Tablica ma konfigurację gwiazdy 6-promienistej. Matryca LED COB jest fabrycznie montowana w środku płytki gwiazdy. Płytka jest pomalowana na czarno, aby zwiększyć pasywne odprowadzanie ciepła z silnego emitera światła.

Mocne diody LED typu PCB Star.

6 "gwiazdek" po lewej stronie to diody o różnych mocach i odcieniach światła białego. Dwa znajdujące się na dole to elementy o większej mocy, z dużymi żółtymi fosforowymi okręgami. Po prawej stronie znajduje się kolumna 4. - Diody do montażu planarnego na powierzchni płytek stykowych na płytce drukowanej.

Rysunek wymiarowy planarnej diody LED dużej mocy na płytce drukowanej w kształcie gwiazdy.

Rysunek wymiarowy planarnej diody LED dużej mocy na płytce gwiaździstej. Wysokość konstrukcji wynosi 6,6 mm, średnica korpusu diody z planarnymi pinami wynosi 8 mm, rozmiar płytki Star to 22 mm.

Matryca COB-LED

Jeśli na termoprzewodzącym podłożu ze sztucznego kryształu szafiru lub krzemu do kleju dielektrycznego przykleimy kilkadziesiąt kryształów półprzewodnikowych świecących na niebiesko, połączymy je z przewodnikami w grupy szeregowo-równoległe i wypełnimy górną część żółtym luminoforem, otrzymamy moduł LED. To jest Matryca COB. Skrót pochodzi od angielskiego słowa combination Chip-On-Board. Tłumaczy się to jako "kryształy na tablicy".

Okrągła matryca LED COB wypełniona żółtym luminoforem. Wzdłuż "maskownicy" znajdują się brązowe płytki stykowe dla obwodów zasilania i/lub sterowania.

Matryce COB wykorzystują bezrdzeniowy układ scalony LED bez podłoża. Układ jest niezwykle gęsty. Przy użyciu tej technologii produkuje się dużą część diod LED dużej mocy, w tym setki kryształów. Dobry radiator wspomagany wentylatorem, czasami wykorzystujący rurki cieplne, może osiągnąć 150-200 W lub więcej w pojedynczym pakiecie. Matryca zapewnia kierunkowy strumień o kącie rozproszenia 100-150 stopni przy 0,7 maksymalnego poziomu promieniowania.

Typowa klasyfikacja

Rodzaje diod LED mogą obejmować:

• jednoukładowe diody LED na pojedynczym układzie scalonym dużej mocy (matryca COB)
• pary diod LED w jednym opakowaniu - diody sygnalizacyjne LED, które migają na przemian w dwóch kolorach, np. czerwonym i żółtym
• triplety lub triady emiterów o trzech kolorach głównych - czerwony, zielony i niebieski lub RGB .Czerwony, zielony, niebieski.

Trzychipowa dioda LED w obudowie SMD do montażu na powierzchni płytki drukowanej.

Jeśli dioda trójkryształowa ma kryształy tego samego koloru, to mamy superjasną diodę. Dzięki różnokolorowym kryształom uzyskujemy triady RGB lub wielokolorowe urządzenia emitujące światło z regulacją.

SMD to skrót od nazwy Surface Mounted Device (urządzenie do montażu powierzchniowego). Służy do automatyzacji rozmieszczania i lutowania elementów elektronicznych na płytkach obwodów drukowanych, w tym diod LED. Jest on stosowany w taśmach, taśmach, modułach i konwencjonalnych płytkach drukowanych.

Do kolorów podstawowych należy para kolorów YB - żółty i niebieski. Istnieją inne kombinacje kolorów, które po zmieszaniu dają kolor biały.

Mocne diody LED COB

Większe modele mają otwory mocujące w narożnikach obudowy. Mniejsze modele mogą być montowane przez przylutowanie do płytki drukowanej.

Oprócz typowych właściwości diod LED, w modelach o dużej mocy zastosowano kilka dodatkowych parametrów:

• moc znamionowa, W;
• rozmiar chipa, mm;
• znamionowy prąd roboczy kryształu lub matrycy;
• trwałość użytkowa związana z normami L 70, L 80 itp.

Diody LED o niskim poborze mocy

Pod względem poboru mocy diody LED mają moc od 0,05 do 0,5 W, prąd roboczy - 20-60 mA (moc średnia - 0,5-3 W, prąd 0,1-0,7 A, moc duża - ponad 3 W, prąd 1 A i więcej).

Strukturalnie diody LED małej mocy obejmują kilka grup emiterów światła LED:

• Konwencjonalne i superjasne diody LED SMD;
• Diody DIP w opakowaniach cylindrycznych - do montażu w otworach w płytkach;
• w opakowaniach typu pirania - do montażu w otworach.

Diody LED o niskim poborze mocy w różnych obudowach.

Na rysunku pokazano diody LED od góry do dołu:

1. Cylindryczne obudowy DIP - z elastycznymi przewodami do wlutowania w otwory w płytce.
2. W obudowach typu pirania, vel Superflux, lutuj do otworów.
3. W planarnych obudowach pinów do montażu na jedno- i dwustronnych płytkach drukowanych lub w "studniach" płytek wielowarstwowych.

Funkcje diod LED

Diody LED są opisywane za pomocą szeregu parametrów. Najważniejsze z nich to

• natężenie światła i sprawność energetyczna - Lm i Lm/W;
• kąt rozproszenia strumienia świetlnego - 0,5 lub 0,7 stopnia, stopnie - w modelach konwencjonalnych od 120 do 140 stopni, w modelach wskaźnikowych - od 15 do 45 stopni
• moc operacyjna, W - mała - do 0,5, średnia - 0,5-3, duża - ponad 3;
• prąd roboczy płynący przez diodę, mA lub A;
• kolor lub odcień światła białego, temperatura barwowaKelwin, K - od 2000-2500 K - ciepła biel i do 6500-9500 K - biała zimna.

Istnieją też inne specyfikacje, ale są one rzadziej stosowane. Na przykład charakterystyka woltowo-amperowa (VAR) diody LED to krzywa prądu płynącego przez złącze w funkcji przyłożonego napięcia roboczego. Jest on wykorzystywany w obliczeniach elektrycznych dotyczących trybu pracy diody LED.

Wymiary .

Wymiary diody LED zależą od wymiarów jej obudowy. W przypadku obudów SMD jest to długość, szerokość i grubość. Pierwsze dwie wartości są zawarte w oznaczeniu, na przykład SMD2835, gdzie dwie pary cyfr to 2,8 mm - szerokość i 3,5 mm - długość. Grubość korpusu można odczytać z opisu lub karty katalogowej diody.

Wymiary . SMD3528 и SMD2835. Szary róg na dole po prawej stronie to klucz wskazujący katodę.

W przypadku diod cylindrycznych DIP istotnymi cechami są średnica obudowy i jej wysokość z soczewką. Należy wziąć pod uwagę długość przewodów i zalecenia producenta dotyczące ich zginania przed montażem.

Długość fali

Taka właściwość diod LED jak długość fali jest wykorzystywana bardzo rzadko. Bardziej powszechnie określana jako długość fali luminescencji.

Długość fali diody mierzy się w nanometrach - nm. Nie zawsze jest to podane w karcie katalogowej produktu.

Znakowanie i kodowanie kolorami

Każdy producent ma swoje własne oznaczenia diod LED. Na przykład dioda LED-WW-SMD5050 ma rozszyfrowane elementy alfabetyczne i numeryczne:

• LED - DIODA LED;
• WW - Warm White - ciepła biel 2700-3500 K;
• SMD - obudowa do montażu powierzchniowego;
• 5050 - wymiary opakowania w dziesiętnych częściach milimetra - 5,0×5,0.

Skróty nazw odcieni światła białego:

• DW - biała dzienna (4000-5000 K);
• W - biała, czysta biel (6000-8000 K);
• CW lub WC - chłodna biel (8000-10000 K);
• WSC - White Super Cool - superchłodna biel, temperatura barwowa 15 000 K z charakterystycznym niebieskawym odcieniem;
• NW - biel neutralna - 5000 K.

Istnieją inne oznaczenia diod LED i kolorów, system ten nie jest jeszcze w pełni znormalizowany, dlatego producenci stosują różne wartości liczbowe i nazwy dla odcieni światła białego.

Graficzne i alfabetyczne przedstawienie na schemacie

Anoda, czyli plus diody LED, na schematach elektrycznych jest przedstawiana w postaci trójkąta. Katoda (minus) jest oznaczona kreską poprzeczną.

Wygląd diody LED AL307 i jej oznaczenie na rysunkach i schematach.

Często stosowanym skrótem jest łaciński skrót HL.

Tabela napięć diod LED

Aby zapewnić działanie diod LED z zachowaniem wszystkich właściwości wynikających z ich konstrukcji i technologii wykonania, należy zapewnić im odpowiednie zasilanie. Na przykład przyłóż do anody i katody napięcie, które będzie nieco wyższe niż napięcie na złączu p-n. Nadmiar napięcia musi być "zniwelowany" przez szeregowo połączony rezystor. rezystor. Rezystor ten jest nazywany rezystorem ograniczającym prąd. Służy on do zapobiegania przekroczeniu prądu przez złącze p-n.

Dioda LED ma dwa styki - anodę i katodę, przy czym katoda jest krótsza niż anoda. Jeśli długość jest taka sama, to określić za pomocą pinezki. Jeśli pojawi się światło, oznacza to, że patrzysz na anodę.

Tabela. Napięcie stałe w złączu p-n kolorowej diody LED.

Przeczytaj także: Jak sprawdzić, ile woltów ma dioda LED

Zastosowania LED

Obszary zastosowań diod LED stale się rozszerzają. Pierwotnie były one stosowane jako wskaźniki świetlne w obwodach przełączających lub w działaniu urządzeń elektronicznych. Na przykład włączanie nadajnika, przełączanie na wyższą lub niższą moc itp. Można zablokować automatyczne włączanie, np. po pojawieniu się sygnału wywołania lub w celu zwrócenia na siebie uwagi. Stosowano diody LED migające lub jednokolorowe - czerwone, żółte, zielone, niebieskie.

Małe superjasne diody LED DIP połączono w łańcuchy szeregowo-równoległe i zasilano bezpośrednio z sieci 220 V. Umieszczając te kolejne grupy diod w przezroczystej rurce z PCV i uszczelniając je przezroczystym uszczelniaczem, otrzymaliśmy "elastyczny neon" - świetlista "wiązka". Można ją położyć na brzegu basenu, krawężniku ścieżki, ozdobić dach domu lub drzewo w ogrodzie.

Użycie elastycznego neonu.

Pojawienie się elastycznych płytek wielowarstwowych i obudów SMD do montażu powierzchniowego doprowadziło do opracowania elastycznych Taśmy LED..

Początkowo służyły one do dekoracji wnętrz. Zwiększona moc diod SMD i ich zagęszczenie na płytce pozwoliły na rozpoczęcie stosowania taśm LED najpierw do oświetlenia pomocniczego, a później do oświetlenia głównego. Zwiększenie ochrony przed pyłem i wilgocią doprowadziło do zastosowania taśm LED do oświetlenia dekoracyjnego, a później do podstawowego oświetlenia zewnętrznego.

Równocześnie opracowywano lampy LED, które miały zastąpić żarówki w lampach - kinkietach, żyrandolach, lampach stołowych. Pojawiły się lampy retrofit - kompletne odpowiedniki żarówek i świetlówek pod względem kształtu, wielkości bańki i napięcia zasilania. Rozpoczęto stopniową wymianę żarówek na żarówki LED. Równocześnie zaprzestano produkcji źródeł światła - początkowo 100 W lub więcej, potem 75, 60 itd.

Rozwój pojedynczych diod LED o dużej mocy, zwłaszcza w pakiecie Emiter lub PCB Star, przyczynił się do pojawienia się latarek z wbudowanymi bateriami. Blask i luminescencja po jednym cyklu ładowania były wielokrotnie większe niż w przeszłości.

Doskonałe możliwości sterowania diodami LED za pomocą środków elektronicznych - sterowniki i ściemniacze - sterowniki jasności, umożliwiły wykorzystanie projektorów o dużej mocy w iluminacji świetlno-dynamicznej ulic i placów miast w dowolnym regionie kraju.

Zastosowanie w dekoracyjnym oświetleniu budynków.

Taśmy LED, np. RGB, RGBW i RGBW umożliwiła nie tylko uzyskanie silnego strumienia białego światła, ale także zmianę jego barwy w szerokim zakresie od ciepłej żółtawej do niebieskawej i chłodnej niebieskiej.

Możliwość sterowania nowymi źródłami światła sprawia, że znajdują one szerokie zastosowanie w reklamie świetlnej - "crawl lines", wyświetlaczach świetlnych, ekranach informacyjnych itp. Te jasne, kolorowe i białe źródła światła są stosowane w reklamach na elewacjach i dachach - płaskich i przestrzennych literach i rysunkach, nazwach marek, znakach towarowych i wielu innych.

Wszystkie te konstrukcje działają znacznie dłużej niż ich odpowiedniki w lampach konwencjonalnych, nie wymagają prawie żadnej konserwacji i zużywają wielokrotnie mniej energii. Wymagania dotyczące diod LED i diod elektroluminescencyjnych stale rosną. Koszt diod LED maleje, a ich zastosowania są coraz szersze.