Дізнаємося як працює світлодіод: принцип дії

У перекладі з англійської скорочення LED дослівно означає «діод, який випромінює світло». Це напівпровідниковий пристрій, здатний 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 їхнім джерелом живлення. Популярність подібних виробів пояснюється низкою 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. вченим Н. Холоньяком. Це був монохромний діод червоного світіння. Він мав ряд недоліків, але сама технологія була визнана перспективною.

Через 10 років після створення червоного діоду 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-який колір спектра (в тому числі білий). Технології невпинно розвивалися.

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

Пристрій світлодіоду

Щоб зрозуміти, як працює точковий світлодіод, необхідно детально розглянути його пристрій. Цей освітлювальний прилад, на 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 один бік. 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 діоду. При роботі він виділяє відносно невелику 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-дирчастий 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 додати струм, вийде пряме зміщення. Через перехід цих двох матеріалів побіжить електрику.

При цьому в корпусі діоду відбувається сплавлення носіїв зарядів з різним електричним статусом. Коли дірки та електрони стикаються, виділяється певна кількість енергії. Це квант світлового потоку. Його називають фотоном.

Колір світлодіода

Під час створення діодів застосовуються різні напівпровідникові матеріали. Це визначає колір, який випускає при роботі представлений пристрій. Різні матеріали здатні посилати в простір хвилі різної довжини. Це дозволяє людському оку побачити той чи інший колір видимого спектра.

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) та індій-нітрид галію (InGaN). Вони витримують досить високий рівень прохідного струму, високі показники вологості і нагріву. Можлива комбінація світлодіодів різних типів.

Змішування кольорів

Сучасні діодні стрічки можуть видавати різні відтінки світлового потоку. Один прилад може виробляти монотонний колір. Під час створення багатокристального пристрою можна отримати величезну кількість різних відтінків. Подібно до монітора телевізора або 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 діоду короткохвильового випромінювання (ультрафіолетовий, синій) разом з жовтим покриттям люмінофорного типу. При комбінації фотонів жовтого і синього кольору в результаті виходить біле світіння.

Виробництво

Щоб зрозуміти, від скількох вольт працюють світлодіоди, необхідно розглянути виробництво цих пристроїв. У першу чергу слід зазначити, що прилади з матрицею типу RGB коштують дорожче, ніж люміноформи. Причому останні дозволяють домогтися освітлення високої якості.

Браком люмінофорів є менша світловіддача, а також різне забарвлення (температура) потоку. Цей пристрій старіє швидше, ніж світлодіод. Тому в продаж надходять освітлювальні прилади обох принципів роботи. Для створення індикаторів виробляються діоди зі споживанням 2-4 В напруги постійного типу (при струмі 50 мА).

Для створення повноцінного освітлення 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 якої напруги працюють світлодіоди, слід сказати про підвищення яскравості представлених пристроїв. Потужність таких приладів сягає 60 мВт. Якщо подібні діоди встановити в середній за габаритами корпус, світлових елементів потрібно встановити 15-20 шт.

Діоди з посиленою яскравістю світіння можуть нести в собі потужність до 240 Вт. Щоб забезпечити нормальне підсвічування, подібних елементів потрібно 4-8 шт. У продажу представлені пристрої, здатні повноцінно освітлювати приміщення, зовнішню рекламу, вітрини тощо. Деякі стрічки створюються для підсвічування середньої або малої інтенсивності.

Для підключення представленого обладнання застосовують блоки управління відповідної потужності. Для кольорових стрічок можна застосовувати контролери, які керують не тільки інтенсивністю освітлення, а й вказані відтінки та режими роботи пристрою.

Керування світінням

Існує величезна кількість варіантів представленого обладнання. Є світлодіоди, що працюють від батарейок (наприклад, у ліхтариках), заживлені в стаціонарну мережу. Їх застосовують як для внутрішньої, так і зовнішньої роботи. Залежно від умов застосування підбирається відповідний клас захисту діоду.

Щоб відрегулювати яскравість світіння, напругу харчування не знижують. Для зменшення інтенсивності світіння використовується широтно-імпульсна модуляція (ШИМ). У цьому випадку купується блок управління.

Представлений метод полягає в подачі на діод імпульсно-модульованого струму. Частота сигналу при цьому сягає тисяч герц. Може змінюватися ширина імпульсів та інтервалів пауз. При цьому можна керувати світінням приладу. Діод у цьому випадку не згасне.

Довговічність

Діоди вважаються довговічними пристроями. Це пояснюється їх конструкцією. Однак якщо не працюють світлодіоди на лампі, можливо, термін їх експлуатації вийшов. Це можна визначити за насиченістю світіння та зміни кольору.

Також фахівці відзначають, що термін експлуатації малопотужних пристроїв набагато триваліший. Але навіть у найяскравіших стрічках або лампах діоди гарантовано працюють 20-50 тис. годин. Оскільки вони не мають крихких елементів конструкції, механічні впливи з більшою ймовірністю не завдадуть шкоди подібним освітлювачам.

Вивчивши, як працює світлодіод, можна зрозуміти принцип влаштування цього приладу, а також його експлуатаційні характеристики. Це обладнання вважається освітлювачами майбутнього покоління.