Устройство и принцип работы светодиодной лампы. Как устроена светодиодная лампа и принцип ее работы

Вопросы снижения потребляемой электроэнергии решаются не только на государственном уровне. Эта проблема актуальна и для рядовых потребителей. В связи с этим, в квартирах, офисах и других учреждениях, начинают широко внедряться не только мощные, но и экономичные источники света. Среди них все более широкое распространение получают светодиодные лампы. Устройство и принцип работы светодиодной лампы позволяет использовать ее со стандартным патроном и подключать в электрическую сеть напряжением 220 В. Для того чтобы сделать правильный выбор, нужно знать основные преимущества и особенности современных источников света.

Принцип действия светодиодных ламп

В работе светодиодных ламп используются физические процессы, которые значительно сложнее тех, что применяются в обычных лампах накаливания с металлической нитью. Суть явления заключается в появлении светового потока в точке соприкосновения двух веществ из разнородных материалов, после того как через них пропущен электрический ток.

Основной парадокс заключается в том, что каждый из используемых материалов, не является проводником электрического тока. Они относятся к категории полупроводников и способны пропускать ток лишь в одну сторону при условии их соединения между собой. В одном из них должны обязательно преобладать отрицательные заряды - электроны, а в другом - ионы с положительным зарядом.

Кроме движения электрического тока, в полупроводниках происходят и другие процессы. При переходе из одного состояния в другое происходит выделение тепловой энергии. Путем экспериментов удалось найти такие сочетания веществ, у которых наряду с выделением энергии появлялось световое излучение. В электронике все устройства, пропускающие ток лишь в одном направлении стали называться , а те из них, которые обладают способностью испускать свет, стали называться светодиодами.

В самом начале испускание фотонов полупроводниковыми соединениями охватывало только узкую часть спектра. Они могли испускать только красный, желтый или зеленый свет, с очень низкой силой свечения. Поэтому в течение длительного времени светодиоды использовались только в качестве индикаторных ламп. К настоящему времени были получены такие материалы, соединения которых позволили значительно расширить диапазон светового излучения и охватить практически весь спектр. Тем не менее, длина каких-то волн всегда преобладает в свечении. Поэтому светодиодные лампы разделяются на источники холодного света - синего и теплого свечения - преимущественно красного или желтого.

Устройство светодиодных источников света

Внешний вид светодиодных ламп практически не отличается от традиционных источников света с металлической нитью накаливания. Они оборудованы с резьбой, что позволяет использовать их с обычными патронами и не вносить изменений в электрооборудование помещений. Однако светодиодные лампы существенно отличаются сложным внутренним устройством.

В их состав входят контактный цоколь, корпус, выполняющий функцию радиатора, плата питания и управления, плата со светодиодами и прозрачный колпак. Планируя использование светодиодных ламп в сети 220 В, следует помнить, что они не смогут работать с таким током и напряжением. Для того чтобы исключить перегорание светильников, в их корпусах устанавливаются платы питания и управления, снижающие напряжение и выпрямляющие ток.

Устройство такой платы оказывает серьезное влияние на срок эксплуатации лампы. В некоторых моделях перед устанавливается лишь резистор, а в некоторых случаях недобросовестные производители обходятся без него. В результате, лампы дают очень яркое свечение, но очень быстро сгорают из-за отсутствия стабилизирующих устройств. Поэтому качественные светильники непременно оборудуются стабилизаторами, например, балластными трансформаторами. В наиболее распространенных управляющих схемах используются сглаживающие фильтры, в состав которых входит конденсатор и резистор. В наиболее дорогих моделях в блоках управления и питания используются микросхемы.

Каждый отдельно взятый светодиод излучает довольно слабый свет. Поэтому для достижения нужного светового эффекта, группируется необходимое количество элементов. С этой целью используется плата, изготовленная из диэлектрического материала, с нанесенными токопроводящими дорожками. Примерно такие же платы применяются в других электронных устройствах.

Светодиодная плата является еще и понижающим трансформатором. С этой целью все элементы включаются последовательно в общую цепь, и сетевое напряжение равномерно распределяется между ними. Единственным существенным недостатком такой схемы является обрыв всей цепочки в случае перегорания хотя-бы одного светодиода.

Защиту всей лампы от попадания влаги, пыли и других негативных воздействий обеспечивает прозрачный колпак. Некоторые свойства колпака позволяют усилить общее свечение. Дело в том что его внутренняя сторона покрыта слоем люминофора, который начинает светиться под действием энергии квантов. Поэтому снаружи поверхность колпака выглядит матовой. Люминофор обладает более широкий спектр излучения, в несколько раз превышающий аналогичный показатель у светодиодов. В результате, излучение становится сравнимо с естественным солнечным светом. Без такого покрытия светодиоды оказывают раздражающее действие на глаза, вызывая усталость и болевые ощущения.

Лучше всего изучать полезные качества, устройство и принцип действия светодиодных ламп на схемах при напряжении электрической сети 220 вольт. Чаще всего такие светильники применяются в промышленном и уличном освещении, а в бытовых условиях традиционные источники света заменяются светодиодными лампочками, работающими при низком напряжении, в основном от 12 вольт. Однако мощность лампы и ее светоотдача не имеют прямой зависимости между собой. Этот фактор следует учитывать при выборе светодиодных светильников.

В светодиодных лампах, рассчитанных на 220 вольт, в схеме отсутствует трансформатор. В связи с этим возникает дополнительная экономия при эксплуатации таких светильников. Данная особенность отличает их от светодиодных ламп с другими мощностями. Поэтому выбор светильников происходит не по мощности, а по степени освещенности, создаваемой ими.

Преимущества светодиодных ламп

В настоящее время большое значение придается экономичной и долговечной работе осветительных приборов. Поэтому на первый план выходят светильники, создающие яркое освещение с выделением минимального количества тепла и небольшим энергопотреблением. Они обладают низкой чувствительностью к перепадам тока и напряжения, могут выдерживать большое количество включений и выключений.

Всеми этими качествами в полной мере обладают светодиодные лампы. Они имеют несколько разновидностей, отличающихся по конструктивным и техническим характеристикам, что позволяет выбрать наиболее подходящий вариант. Все лампы отличаются наличием или отсутствием , степенью экологической безопасности, необходимостью в использовании выпрямителей тока и других дополнительных приборов.

Светодиод (англ. light emitting diode, или LED) – это радиоэлектронный прибор, выполненный на основе полупроводника (в большинстве случаев из легированного кремния или германия), принцип действия которого основан на односторонней проводимости с выделением светового излучения.

Устройство светодиода

Как и любой полупроводник, светодиод представляет собой соединение полупроводникового кристалла p – типа (легированного трехвалентным материалом – например In) с полупроводниковым кристаллом n – типа (легированным пятивалентным материалом – например As), которое образует p – n переход.

Кристалл p – типа обладает свойством «дырочной» проводимости – носителями заряда в таких кристаллах являются положительно заряженные участки ковалентных связей кристалла, которым недостает электронов (Рис.1).

Рисунок 1. Дырочная проводимость полупроводника

Кристалл n – типа обладает электронной проводимостью - носителями заряда в таких кристаллах являются отрицательно заряженные свободные электроны (Рис. 2).

Рисунок 2. Электронная проводимость полупроводника

При соединении кристалла p – типа с кристалломn – типа в области их контактаобразуется p – n переход , который обладает свойством запирающего слоя (рис. 3).
В области места контакта двух полупроводников n -типа и p -типа возникает процесс диффузии: дырки из p -области переходят в n -область, а электроны, наоборот, из n -области в p -область. В результате в n -области в зоне запирающего слоя уменьшается концентрация электронов, что сопровождается возникновением положительно заряженного слоя. В p -области наблюдается уменьшение концентрации дырок и возникает отрицательно заряженный слой. Таким образом, в области контакта полупроводников происходит образование двойного электрического слоя, поле которого препятствует процессу диффузии электронов и дырок навстречу друг другу (рис. 3).

Рисунок 3. Запирающий слой p–n-перехода

В случае соединения n –p -перехода к внешнему источнику тока так, чтобы положительный его полюс был соединен с p -областью, а отрицательный с n -областью, то показатель напряженности электрического поля в запирающем слое уменьшится и облегчит переход основных носителей тока через контактный слой. В следствии этого, дырки из p -области и электроны из n -области, будут двигаться навстречу друг другу, пересекая n –p -переход, что приведет к созданию тока в прямом направлении (Рис. 4).

Рисунок 4. Приложение напряжения к p–n-переходу

Так же в месте соприкосновения двух полупроводников (p – n переход), при приложении электричества, происходит рекомбинация электронов с дырками, при этом происходит высвобождение энергии в виде фотонов света (рис. 5).

Рисунок 5. Высвобождение энергии в виде фотонов света

В отличие от обыкновенного диода, светодиод имеет большую площадь соприкосновения в месте контакта двух полупроводников. Благодаря этому площадь рекомбинации больше, а следовательно выше интенсивнее свечение. Однако не каждый p – n переход способен высвобождать энергию в виде фотонов видимого спектра света. Это зависит от ширины запрещенной зоны, энергия преодоления которой должна быть соизмерима с энергией кванта видимого спектра света.

Цвет светодиодного свечения

Спектр цветового свечения светодиодов зависит исключительно от ширины запрещенной зоны p-n-перехода. Именно здесь происходит рекомбинация электронов и «дырок», с высвобождением фотонов света. Таким образом, физически цвет света светодиода зависит от материала полупроводника, и от легирующих его примесей. Чем «синее» свет светодиод, тем выше энергия квантов преодоления запрещенной зоны p-n-перехода, а значит, тем больше должна быть ширина запрещенной зоны. Из этого следует, что изменяя ширину запрещенной зоны p-n-перехода, можно получить свечение любого цвета радуги. А для того, чтобы получить белый цвет, необходимо комбинировать полученные цвета.

Способы получение белого цвета свечения светодиодов

Для получения белого цвета свечения светодиодов применяется три распространенных способа:
1) Смешивание цветов свечения согласно технологии RGB (рис. 6). Метод заключается в том, что на одной подложке плотно размещаются красный, синий и зеленые светодиоды, излучение которых смешивается благодаря оптической системе, например пластиковой линзы. В следствие этого получается белый свет.

Рисунок 6. RGB технология изготовления светодиодов

2) За основу берутся три светодиода, которые излучают ультрафиолетовый свет. Далее на поверхность каждого из светодиодов наносится покрытие из люминофора синего, зеленого и красного цвета. Таким образом, люминофор начинает светиться тремя цветами, а при смешивании этого свечения линзой получается белый цвет.
3) За основу берется синий светодиод, на его поверхность наносится зеленый и красный (может быть желто-зеленый) люминофор. Таким образом, получается белое или близко к белому свечение.

Рисунок 7. Технология изготовления светодиодов с нанесением люминофора

У каждого способа получения белого свечения есть свои достоинства и недостатки.
Так, RGB технология, в дополнение ко всему, позволяет изменять цвет и температуру свечения светодиодов, путем изменяя силы тока на каждом из них. Кроме того, сосредоточенное размещение трех светодиодов в матрице позволяет получить высокий суммарный световой поток и световую мощность. Однако данная система не может обеспечить равномерность свечения всего светового пятна, так как в центре системы будет свечение ярче, чем по краям. Это обусловлено явлением аберрации оптической системы.
Изготовление светодиодов с использованием люминофора гораздо дешевле, чем RGB технология. Однако недостатком этой системы является быстрое старение люминофора (гораздо быстрее, чем кристалла светодиода) и сложность в равномерном нанесении люминофора на поверхность кристалла светодиода.

Электрические характеристики светодиодов

Светодиод – полупроводниковый прибор низковольтного потребления энергии. Диапазон питания обычных индикаторных светодиодов варьирует от 2 до 4 Вольт с потребляемым током до 50 мА. Светодиоды предназначенных для освещения помещений питаются тем же напряжением, однако потребляемый ток таких приборов значительно выше, и может достигать нескольких ампер. Иногда светодиодные модули, состоящие из отдельных светодиодов, включены последовательно, что увеличивает их суммарное напряжение питания.
Но, кроме того, что напряжение питания светодиодов низкое, оно должно быть еще и стабилизированное. Это связано с тем, что напряжение питания светодиода экспоненциально зависит от тока потребления (рис. 8). При небольшом увеличении напряжения, ток потребления увеличивается в разы, что может привести к перегреву прибора и выхода его из строя. Поэтому для стабилизации напряжения питания светодиода используют конвертеры или драйверы (предназначены для стабилизации тока).

Рисунок 8. Вольт-Амперная характеристика светодиодов

Регулировка яркости свечения светодиодов

Очень часто возникает необходимость в изменении яркости свечения светодиода. Данное действие ни в коем случае нельзя выполнять путем снижения напряжения питания светодиода. Это делается с помощью метода широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Данный метод заключается в изготовлении устройства, представляющего собой генератор импульсно-модулированного тока с частотой выходного сигнала от сотен до тысяч герц, с возможностью изменения ширины импульсов и пауз между ними. Таким образом, применив данный прибор, средняя яркость питаемого светодиода становится управляемой, в то же время светодиод не гаснет.

Срок службы светодиодов

Срок службы светодиодов зависит в основном от режима их эксплуатации. Если это маломощный диод индикаторного типа, то его срок службы очень велик. Это связано с тем, что протекающий через него ток мал и не разогревает физически спаренный p-n-переход. Мощные же светодиоды рассчитаны на срок службы в 20-50 тысяч часов. Из-за больших токов питания, p-n-переход сильно нагревается, расшатываются атомные решетка кристаллов, разрушая целостность p-n-перехода. Таким образом, старение светодиодов в конечном результате выражается в уменьшении их яркости. Так, если яркость светодиода снижается на 30% от его первоначальной яркости, то его необходимо заменить.

Светодиод или светодиодная лампа представляет собой электронное устройство размером с половину спички. Предназначен светодиод, как обычная электрическая лампочка, для освещения окружающего пространства в тёмное время суток и в недоступных для света местах. Как работает светодиод и по какому принципу он устроен, пойдёт речь дальше в этой статье.

По определению, электрический ток – это направленный поток электронов. Принцип работы светодиода заключается в том, что при пропускании через полупроводник прямого электрического тока, часть электронов выскакивает на p-n переходе из потока на одной пластине светодиода, сталкивается с электронами другой пластины, выбивает их со своих ячеек, вследствие чего образуются, говоря научным языком, «дырки». Из-за хаотичного движения электронов и их сталкивания друг с другом, выделяется энергия и появляется свечение.

В начале изобретения светодиода свечение было только синего цвета, но по мере того, как развивалась и совершенствовалась технология массового производства светодиодов, инженерам-электроникам удалось получить все имеющиеся цвета светового спектра. Важный принцип при использовании светодиодных ламп - это тот факт, что данное микроскопическое устройство освещает окружающее пространство намного лучше ламп накаливания, люминесцентных и галогенных ламп всеми цветами радуги без использования громоздких светофильтров и при этом светодиоды никогда не перегорают.

Почему светодиоды пользуются большим спросом в использовании их как осветительные приборы в местах с ограниченным пространством – всем понятно, поскольку другие источники света просто не пройдут по габаритам.

В этом их кардинальное отличие от электроламп накаливания, люминесцентных и газоразрядных ламп. При пропускании через светодиод электрического тока данный полупроводниковый прибор излучает некогерентное или «холодное» излучение. Для совершенствования работы светодиодных ламп применяют новейшие технологии получения полупроводников из наращивания кристаллов камня сапфира. При этих работах используются точнейшие способы резки камня и его шлифовки. Таким же способом подготавливаются пластины нитрида галлия. Внутрь помещают проводники для прохождения электрического тока и собирают устройство.

Работа светодиода не сопровождается ни шумом, ни выделением тепла. В наши дни научились изготавливать светодиодные лампы различной мощности, формы и цвета.

Конструкция и типаж светодиода постоянно улучшается. По мере развития технологий промышленного производства светодиодов, появления новых надёжных материалов и сплавов, их производство и внедрение в различные сферы потребления развивается и совершенствуется.

Преимущества светодиодов перед другими видами ламп очевидны и неоспоримы:

1. Дают холодное свечение. Не нагревают имеющиеся рядом электроприборы.
2. Имеют малые габариты, компактные и лёгкие. Не бьются при транспортировке и при падении с высоты. Не перегорают.
3. Не нуждаются в использовании громоздких светофильтров и защитных колпаков. Могут работать и освещать улицы под дождём и под градом.
4. Имеют красивый дизайн и малые габариты.
5. Длительный период эксплуатации. Могут работать на протяжении 20 и более лет.
6. Низкое энергопотребление – в 10 раз меньше обычной лампы накаливания.
7. Экологически безвредны. Не имеют внутри газов и ртутных паров.
8. Пожаро и взрывобезопасны.

Основной недостаток – высокая стоимость. Цена 1 люмена свечения светодиода в 10 раз выше ламп накаливания, почему светодиодные лампы не могут пока их вытеснить.

Своё применение светодиоды находят в самых широких областях промышленности. Многие самолёты ТУ-134 и ТУ-154 оснащены светодиодными устройствами, они устанавливаются на морских судах и подводных лодках. Особенно широко светодиоды используются на рекламных вывесках, баннерах, для праздничных иллюминаций, ночного освещения домов, подъездов. Недавно японская корпорация «Мазда» продемонстрировала свои разработки легкового автомобиля с задними фонарями, где использован принцип светодиода. Существуют светодиодные фары головного света для автомобилей, плафоны для паркового освещения, подсветки натяжных потолков в интерьерах квартир и домов. Принцип работы светодиодных ламп развивается, совершенствуется и в скором будущем данное устройство заменит привычную лампу накаливания и вытеснит её навсегда!

Устройство и принцип работы светодиодных ламп . Основные части осветительного прибора:

Светодиоды;
- драйвер;
- цоколь;
- корпус.

Принцип его работы полностью повторяет процессы, происходящие в обыкновенном полупроводниковом диоде с p-n переходом из кремния или германия: при подаче положительного потенциала к аноду, а отрицательного к катоду в материалах начинается движение отрицательно заряженных электронов к аноду, а дырок к катоду. В итоге, диод пропускает электрический ток только одного прямого направления.

Однако, светодиод выполнен из других полупроводниковых материалов, которые при бомбардировке в прямом направлении носителями зарядов (электронами и дырками) осуществляют их рекомбинацию с переводом на другой энергетический уровень. В итоге происходит выделение фотонов - элементарных частиц электромагнитного излучения светового диапазона.

Даже в электрических схемах в качестве их обозначений используются обозначения обычных диодов, только с добавлением двух стрелочек, обозначающих излучение света.

Полупроводниковые материалы обладают разными свойствами выделения фотонов. Такие вещества, как арсенид галия (GaAs) и нитрид галлия (GaN), являясь прямозонными полупроводниками, одновременно прозрачны для видимого спектра световых волн. При замене ими слоев p-n перехода происходит выделение света.

Расположение слоев, используемых в светодиоде, показано на рисунке ниже. Их маленькая толщина порядка 10÷15 нм (наномикрон) создается специальными методами химического осаждения из газовой фазы. В слоях размещены контактные площадки для анода и катода.

Как при любом физическом процессе, во время преобразования электронов в фотоны существуют потери энергии, обусловленные следующими причинами:

Часть световых частиц просто теряется внутри даже такого тонкого слоя;
- при выходе из полупроводника возникает оптическое преломление световых волн на границах кристалл/воздух, искажающее длину волны.

Применение специальных мер, например, использование сапфировой подложки, позволяет создать бо́льший световой поток. Такие конструкции применяются для установки в лампы освещения, но не для обычных светодиодов, используемых в качестве индикаторов, показанных на рисунке ниже.

Они имеют линзу, выполненную из эпоксидной смолы и рефлектор для направления света. В зависимости от назначения свет может распространяться в широких диапазонах угла 5-160°.

Дорогие светодиоды, выпускаемые для ламп освещения, производители изготавливают с ламбертовской диаграммой. Это означает, что их яркость постоянна в пространстве, не зависит от направления излучения и угла наблюдения.

Габариты кристалла весьма маленькие и от одного источника можно получить небольшой поток света. Поэтому для ламп освещения такие светодиоды объединяют довольно большими группами. При этом, создать от них равномерное освещение во все стороны весьма проблематично: каждый светодиод является точечным источником.

Частотный спектр световых волн от полупроводниковых материалов значительно уже, чем от обычных ламп накаливания или солнца, что утомляет глаза человека, создает определенный дискомфорт. С целью исправления этого недостатка в отдельные конструкции светодиодов для освещения вводится слой люминофора.

Величина излучаемого светового потока полупроводниковых материалов зависит от тока, проходящего через p-n переход. Чем больше ток, тем выше излучение, но до определенного значения.

Маленькие габариты, как правило, не позволяют использовать токи, превышающие 20 миллиампер для индикаторных конструкций. У мощных осветительных ламп применяется теплоотвод и дополнительные меры защиты, использование которых, однако, строго ограничено.

При запуске световой поток лампы пропорционально возрастает с увеличением тока, но затем из-за образования тепловых потерь начинает снижаться. Следует понимать, что процесс выделения фотонов из проводника не связан с тепловой энергией, светодиоды относятся к источникам холодного света.

Однако, проходящий через светодиод ток в местах контактов различных слоев и электродов преодолевает переходное сопротивление этих участков, вызывающее нагрев материалов. Выделяемое тепло вначале только создает потери энергии, но при увеличении тока может повредить конструкцию.

Количество светодиодных кристаллов, установленных в одну лампу, может превышать сотню работающих элементов. На каждый из них необходимо подвести оптимальный ток. Для этого создают стеклотекстолитовые платы с токопроводящими дорожками. Они могут иметь самую различную конструкцию.

К контактным площадкам плат припаиваются светодиодные кристаллы. Чаще всего их формируют в определенные группы и запитывают последовательно друг с другом. Через каждую созданную цепочку пропускают один и тот же ток.

Такую схему проще реализовать технически, но она обладает одним главным недостатком - при нарушении одного любого контакта вся группа перестает светить, что является основной причиной поломки лампы.

Драйверы . Подвод постоянного напряжения к каждой группе светодиодов выполняется от специального устройства, которое раньше называли блоком питания, а сейчас - термином “драйвер”.

Данное устройство несет функции преобразования входного напряжения сети, например, ~220 Вольт квартирной или 12 Вольт автомобильной сети в оптимальную величину питания каждой последовательной группы.

Подвод одного стабилизированного тока к каждому кристаллу по параллельной схеме технически сложен и применяется в редких случаях. Работа драйвера может проводиться на основе трансформаторной или иной схемы. Среди них распространены следующие варианты. В зависимости от конфигурации и количества примененных элементов они могут быть разными:

Самые простые и дешевые драйверы рассчитаны на питание от стабилизированного напряжения, сеть которого защищена от бросков и импульсов перенапряжений. У них даже может отсутствовать токоограничивающий резистор в выходной цепи питания, что характерно для аккумуляторных фонариков, светодиоды которых зачастую подключены непосредственно к выходу АКБ .

В результате, пиолучается, что они питаются завышенным током и хотя светят довольно ярко, очень часто перегорают. При использовании дешевых ламп с драйверами без защиты от перенапряжений осветительной сети светодиоды тоже часто выгорают, не выработав заявленного ресурса.

Качественно сконструированные блоки питания практически не выделяют тепло при работе, а у дешевых или перегруженных драйверов часть электроэнергии расходуется на нагрев. Причем, такие бесполезные потери электрической мощности могут быть сопоставимы, а в отдельных случаях превышать энергию, расходуемую на выделение фотонов.

Светодиод - это разновидность диода, электронного прибора обладающего односторонней проводимостью электрического тока. Диод, или как его еще называют выпрямительный диод, обладая своими уникальными свойствами изменять электрическое сопротивление в зависимости от полярности приложенного к нему напряжения, применяют для выпрямления переменного тока. Конструкция выпрямительного диода может строиться как на базе радиоэлектронных ламп, так и на базе полупроводниковых кристаллов.

В отличие от выпрямительного диода светодиод выполняется только на базе полупроводниковых кристаллов. Принцип действия у обоих электронных приборов основан на инжекции (диффузии) электронов и дырок в области p -n перехода, то есть области контакта двух полупроводников с разным типом проводимости. Под инжекцией подразумевается переход избыточных электронов из области n -типа в область p -типа, а также переход избыточных дырок из области p -типа в область n -типа, где существует их недостаток. В результате инжекции в обеих областях, возле границы перехода, образуются не скомпенсированные слои электронов и дырок. На стороне n -перехода слой дырок, а на стороне p -перехода слой электронов. Эти слои образуют так называемый запирающий слой, внутреннее электрическое поле которого препятствует дальнейшей инжекции (рисунок 1).

Рисунок 1. Запирающий слой p -n перехода

Наступает определенное равновесие. При подаче отрицательного напряжения к области кристалла с проводимостью n -типа и положительного напряжения к области кристалла с проводимостью p -типа под действием внешнего электрического поля направленного против запирающего поля открывается путь основным носителям через p -n переход. Запирающий слой становится тоньше и его сопротивление уменьшается. Происходит массовое перемещение свободных электронов из n -области в p -область и дырок из p -области в n -область. В цепи возникает электрический ток (рисунок 2).

Рисунок 2. Включение в прямом направлении

Если подать обратное напряжение, то запирающий слой становится толще и электрическое сопротивление значительно увеличивается. Электрический ток при подаче обратного напряжения практически отсутствует (рисунок 3).

Рисунок 3. Включение в обратном направлении

Нужно помнить, что допустимая величина обратного напряжения у светодиодов, при которой не происходит его пробоя, значительно ниже, чем у выпрямительных диодов. Зачастую эта величина равна максимальному значению прямого напряжения. Поэтому, включая светодиод в электрическую цепь переменного тока, не следует забывать про амплитудное значение напряжения. Для синусоидального напряжения частотой 50 Гц его амплитудное значение в 1,41 раза больше чем действующее. Такие включения используются редко, так как назначение светодиода все-же "светиться", а не "выпрямлять". Обычно светодиод включается на постоянное напряжение.

Видео 1. Полупроводники

При перемещении свободных электронов через p -n переход электроны и дырки излучают фотоны по причине их перехода с одного энергетического уровня на другой. Не все полупроводниковые материалы эффективно излучают свет при инжекции. Например, диоды, выполненные из кремния, германия, карбида кремния, свет практически не излучают. А диоды, выполненные из арсенида галлия или сульфида цинка, обладают наилучшими излучающими способностями.

Излучаемый свет не когерентен и лежит в узком спектре. В связи с этим у каждого светодиода свой спектр волн, со своей длиной и частотой, которые могут быть видны или не видны человеческому глазу. В качестве примера применения светодиодов с не видимым спектром излучения, можно привести светодиоды, применяемые в пультах дистанционного управления любой современной радио-электронной аппаратуры. Для того чтобы увидеть излучение возьмите пульт дистанционного управления и любой сотовый телефон имеющий фото-видео камеру. Переведите телефон в режим съемки видео, направьте объектив камеры на передний край пульта и нажмите на пульте любую из кнопок. При этом на экране телефона вы будете наблюдать свечение светодиода.

Спектр излучения зависит от химического состава кристалла полупроводника. Каждый спектр излучения имеет свой цвет. Поэтому светодиоды излучающие свет в видимом человеческому глазу спектре, воспринимаются разноцветными, красными, зелеными, синими.

Свечение твердотельного диода впервые обнаружил британский экспериментатор Генри Раунд (Henry Round). В 1907 году, проводя свои исследовательские работы он случайно заметил, что вокруг точечного контакта работающего диодного детектора возникает свечение. Однако вывода о практическом применении этого явления им сделано не было.

Через несколько лет, в 1922 году, Олег Владимирович Лосев во время своих ночных радиовахт, точно также как и Генри раунд, случайно стал наблюдать за возникающим свечением кристаллического детектора. Для получения устойчивого свечения кристалла, он подавал на точечный контакт диодного детектора напряжение от гальванической батарейки и тем пропускал через него электрический ток. Это была первая попытка найти практическое применение работы светодиода.

В 1951 году в США начались исследовательские работы по разработке "полупроводниковых лампочек", действие которых было основано на "эффекте Лосева". В 1961 году, была открыта и запатентована технология изготовления инфракрасного светодиода, авторами которой стали Роберт Байард и Гари Питтман. Через год, в 1962 году, Ник Холоньяк (Nick Holonyak), работающий в компании General Electric, изготовил первый в мире красный светодиод, работающий в световом диапазоне и нашедший впоследствии первое практическое применение. Он имел низкую энерго-эффективность, потреблял сравнительно большой ток, но при этом имел тусклое свечение. Тем не менее, технология получилась перспективной и получила дальнейшее развитие.

Следующим шагом в развитии светодиодной техники явилось изобретение желтого светодиода. Бывший ученик Ника Холоньяка - Джордж Крафорд, в 1972 году вместе с изобретением желтого светодиода, увеличил в 10 раз яркость свечения красных и красно-оранжевых светодиодов. Практически одновременно с этими изобретениями, в начале 70-х годов, были получены светодиоды зеленого цвета. Свое применение они нашли в калькуляторах, наручных часах, электронных приборах, световых указателях и дорожных светофорах. Значительного увеличения светового потока, до 1 люмена (Лм), красных, желтых и зеленых светодиодов смогли достичь только к 1990 году.

В 1993 году, японский инженер, работник компании Nichia, Суджи Накамура (Shuji Nakamura), смог получить первый светодиод высокой яркости который излучал синий цвет. Это изобретение стало революцией в развитии светодиодной техники, так как были получены светодиоды трех основных цветов, красного, зеленого и синего. С этого момента можно было получить свечение любого цвета, включая белого.

В 1996 году появились первые белые светодиоды. Они состояли из двух светодиодов – синего и ультрафиолетового с люминофорным покрытием.

К 2011 году были построены конструкции светодиодов белого свечения, которые обеспечивали светоотдачу до 210 Лм/Вт. Каким же образом ученые и инженеры добились таких успехов. Для этого рассмотрим известные на сегодняшний день способы получения светодиодов белого цвета.

Известно, что все цвета и оттенки складываются из трех основных цветов - красного, зеленого, синего. Белый свет не исключение. Существует четыре варианта получения излучения светодиодами белого цвета (рисунок 4).

Рисунок 4. Получение светодиодов излучающих белый свет

Первый вариант - использование в конструкции светодиода трех отдельных p -n переходов излучающих красный, зеленый и синий свет. При этом варианте для каждого p -n перехода требуется свой собственный источник питания. Регулируя напряжение на каждом p -n переходе добиваются создания белого свечения со своим оттенком (цветовой температурой).

Второй вариант - при этом варианте в конструкции светодиода используется один p -n переход синего свечения, покрытый желтым или желто-зеленым люминофором. Такой вариант применяется чаще всего, так как для работы светодиода требуется один источник питания. Однако цветовые характеристики этого светодиода уступают характеристикам светодиодов получаемых другими способами.

Третий вариант - здесь также используется один p -n переход синего свечения, но покрытый слоями люминофоров двух цветов - красного и зеленого. Конструкции светодиодов, изготавливаемые данным способом, позволяют получить лучшие цветовые характеристики.

Четвертый вариант - конструкция светодиода при этом варианте строится на основе ультрафиолетового светодиода покрываемого тремя слоями люминофоров красным, зеленым и синим. Конструкции таких светодиодов самые не экономичные, так как преобразование коротковолновых ультрафиолетовых лучей в длинноволновые видимые лучи, во всех трех слоях люминофора, сопровождается потерями энергии.

Значение светоотдачи сверхярких светодиодов белого цвета в 210 Лм/Вт пока было достигнуто только в лабораторных условиях. Максимальная же светоотдача ярких светодиодов доступных для общего применения не превышает 120 Лм/Вт. Такие светодиоды очень дороги и используются редко. Основная масса светодиодов имеет светоотдачу 60 - 95 Лм/Вт.

Светоотдача светодиода, так же как и любого другого источника света работающего под действием электрической энергии, зависит от величины проходящего через него тока. Чем больше ток, тем больше светоотдача. Но также как и любого другого источника света, большая часть энергии в нем превращается в тепло. Нагрев светодиодов сопровождается падением их светоотдачи. В связи с этим производители вынуждены использовать массивные металлические корпуса для охлаждения кристалла и рассеивания выделяющегося тепла в окружающую среду. Такие меры позволяют несколько повысить эффективность его использования.

Если сравнивать энергоэффективность различных источников света то выяснится, что светодиоды имея коэффициент полезного действия 40 - 45% являются самыми экономичными. К примеру, лапы накаливания имеют КПД равный 2 - 5%, - 15 - 25%, - 24 - 30%.

Режим работы светодиода, когда кристалл имеет температуру близкую к комнатной, несомненно, благоприятно сказывается на его сроке службы. При таких режимах работы светодиод способен работать до 50000 часов не теряя светоотдачи. Если ставится цель повысить светоотдачу увеличивая ток, то это само собой пагубно сказывается на его сроке службы. В первую очередь к концу срока службы значительно падает светоотдача. Падение происходит плавно и достигает 70% от начального значения. Во вторых увеличивается вероятность его полного выхода из строя.

Этот факт говорит о том, что выбирая светильники и лампы при разработке проектов освещения необходимо каждый раз оценивать какой из них более выгоден с экономической точки зрения.