Как работают светодиоды и их типы, поляризация и расчет резисторов - услуги электромонтажа, строительства и ремонта

Каждый светоизлучающий диод имеет p-n-переход. Люминесценция возникает, когда электроны и дырки рекомбинируют на электронно-дырочном переходе. P-n-переход образуется при соединении двух полупроводников с разными типами проводимости. Материал n-типа легирован электронами, а p-типа – дырками.

Содержание

Светодиоды – как они работают, поляризация, расчет резисторов

Светодиоды являются одним из самых популярных электронных компонентов, используемых практически в каждой схеме. Выражение “мигающие светодиоды” часто используется для обозначения первой задачи при проверке реализуемости схемы. В этой статье мы узнаем, как работают светодиоды, проведем краткий обзор их типов и рассмотрим практические вопросы, такие как определение полярности и расчет резистора.

Основными функциональными и эксплуатационными параметрами светодиодных светильников являются:

Справочная информация

Исторически изобретателями светодиода считаются физики Х. Раунд, О. Лосев и Н. Холоняк, которые по-своему завершили технологию в 1907, 1927 и 1962 годах соответственно:

Г. Х. Раундт изучал излучение света полупроводниковым диодом и открыл электролюминесценцию.
О. V. В ходе своих экспериментов Лосев открыл электролюминесценцию полупроводникового перехода и запатентовал “световое реле”.
Н. Холоньяк считается изобретателем первого светодиода, используемого на практике.

Светоизлучающий диод Холоньяка светился в красном спектре. Его преемники и дизайнеры более поздних лет разработали желтые, синие и зеленые светодиоды. Первый элемент высокой яркости для использования в волоконно-оптических линиях был разработан в 1976 году. Синий светодиод был разработан в начале 1990-х годов трио японских ученых – Накамурой, Амано и Акасаки.

Эта разработка была чрезвычайно дешевой и, по сути, открыла эру повсеместного использования светодиодов. В 2014 году японские инженеры были удостоены за это Нобелевской премии по физике.

В современном мире светодиоды распространены повсеместно:

в наружном и внутреннем освещении с помощью светодиодных ламп и светодиодных лент;
в качестве индикаторов для буквенно-цифровых дисплеев;
в рекламных устройствах: бегущие строки, уличные дисплеи, стенды и т.д;
в светофорах и уличном освещении;
В дорожных знаках со светодиодным оборудованием;
В USB-устройствах и игрушках;
В подсветке телевизионных дисплеев, мобильных устройств.

Он производится по одной из трех разработанных технологий:

Как изготавливаются и работают светодиоды

Светоизлучающие полупроводники широко используются для управления системами освещения и в качестве индикаторов электрического тока. Это электронные устройства, которые работают под воздействием приложенного напряжения.

Поскольку их значение невелико, эти источники являются низковольтными устройствами с более высокой степенью безопасности в отношении воздействия электрического тока на организм человека. Риск получения травмы возрастает, если для освещения используются источники перенапряжения, например, бытовые источники питания, для которых требуются специальные блоки питания.

Характерной особенностью светодиодных конструкций является большая механическая прочность корпуса по сравнению с лампами Ильича и люминесцентными лампами. При правильном использовании они работают долго и надежно. Срок их службы в 100 раз больше, чем у ламп накаливания, даже до ста тысяч часов.

Однако это число является типичным для индикаторных конструкций. Мощные источники света потребляют больше тока, и срок их службы сокращается в 2÷5 раз.

Светодиодный дизайн

Традиционный индикаторный диод выполнен в эпоксидном корпусе диаметром 5 мм с двумя выводами для подключения к цепям электрического тока: анод и катод. Визуально они отличаются по длине. В новом устройстве без разрезанных контактов катод короче.

Запомнить это помогает простое правило: с буквы “К” начинаются оба слова:

Когда ножки светодиода отрезаны, анод можно определить, приложив напряжение 1,5 В к контактам обычной пальчиковой батарейки: свет появляется, когда полярности совпадают.

Монокристаллический активный светоизлучающий полупроводник представляет собой прямоугольный параллелепипед. Он размещен рядом с параболическим отражателем из алюминиевого сплава и установлен на подложке с непроводящими свойствами.

На конце прозрачного полимерного светового тела находится линза, которая фокусирует световые лучи. Это вместе с отражателем образует оптическую систему, которая формирует угол пучка света. Это характеризуется диаграммой направленности светодиода.

Он характеризуется боковым отклонением света от геометрической оси всей структуры, что приводит к повышенному рассеиванию. Это явление возникает из-за незначительных производственных нарушений, а также старения оптических материалов в процессе эксплуатации и других факторов.

В нижней части корпуса может быть размещена алюминиевая или латунная планка, выполняющая роль теплоотвода для рассеивания тепла, выделяемого при протекании электрического тока.

Этот принцип конструкции широко используется. Другие полупроводниковые источники света, основанные на этом принципе, создаются с использованием других форм элементов конструкции.

Принципы излучения света

Полупроводниковый переход типа p-n подключен к источнику постоянного напряжения в соответствии с полярностью выводов.

Внутри контактного слоя веществ p- и n-типа начинается движение свободных отрицательно заряженных электронов и дырок, имеющих знак положительного заряда. Эти частицы направляются к полюсам, которые их притягивают.

В переходном слое заряды рекомбинируют. Электроны переходят из полосы проводимости в валентную полосу, проникая на уровень Ферми.

Таким образом, часть их энергии высвобождается с испусканием световых волн различных спектров и яркости. Частота волны и передача цвета зависят от типа смешанных материалов, из которых изготовлен p-n-переход.

Чтобы излучать свет внутри ядра полупроводника, должны быть выполнены два условия:

1. полоса пропускания пространства в активной области должна быть близка к энергии излучаемых квантов в частотном диапазоне, видимом человеческим глазом;

2. чистота материалов полупроводниковых кристаллов должна быть высокой, а количество дефектов, влияющих на процесс рекомбинации, должно быть как можно меньше.

Эта техническая проблема может быть решена несколькими способами. Одним из них является образование нескольких слоев p-n-переходов при формировании сложной гетероструктуры.

Влияние температуры

При увеличении напряжения источника ток через полупроводниковый слой возрастает, и свечение увеличивается: в единицу времени в зону рекомбинации попадает больше зарядов. Одновременно происходит нагрев токопроводящих элементов. Его значение критично для материала внутренних проводников тока и материала p-n-перехода. Чрезмерная температура может повредить их, разрушив.

В светодиодах энергия электрического тока преобразуется в свет напрямую, без лишних процессов: не так, как в лампах накаливания. Это приводит к минимальной потере полезной мощности из-за низкого нагрева проводящих элементов.

Это создает высокий уровень эффективности этих источников. Однако их следует использовать только там, где сама конструкция защищена, блокирована от внешнего нагрева.

Особенности световых эффектов

При рекомбинации дырок и электронов в различных составах вещества p-n-перехода возникает различное световое излучение. Обычно он характеризуется параметром квантового выхода – количеством световых квантов, испускаемых на одну рекомбинированную пару зарядов.

Она возникает и происходит на двух уровнях СИД:

1. в самом полупроводниковом переходе – внутренний;

2. внутри светодиодной структуры в целом – внешний.

На первом уровне квантовая эффективность правильно изготовленных монокристаллов может достигать значений, близких к 100%. Однако это требует больших токов и сильного теплоотвода.

Внутри самого источника, на втором уровне, часть света рассеивается и поглощается компонентами конструкции, тем самым снижая общую эффективность излучения. Максимальная квантовая эффективность здесь гораздо ниже. Светодиоды, излучающие красный спектр, имеют максимальное значение 55%, а синие светодиоды имеют еще более низкое значение 35%.

Виды цветового светопропускания

Современные светодиоды излучают:

Желто-зеленый, желтый и красный спектры

В основе p-n-перехода лежат фосфиды галлия и арсениды галлия. Эта технология была внедрена в конце 1960-х годов для индикаторов электронных устройств и панелей управления транспортным оборудованием, рекламных щитов.

Эти приборы сразу же превзошли основной источник света того времени – лампы накаливания – по светоотдаче, надежности, долговечности и безопасности.

Синий спектр

Излучатели с синим, сине-зеленым и особенно белым спектрами долгое время были непригодны для практического использования из-за сложности комплексного решения двух технических проблем:

1. ограниченный размер полосовой щели, в которой происходит рекомбинация;

2. требования к высокому содержанию примесей.

Для каждого шага увеличения яркости синего спектра требовалось увеличение квантовой энергии за счет увеличения ширины запрещенной зоны.

Эта проблема была решена путем включения в полупроводниковое вещество карбидов SiC или нитридов кремния. Однако оказалось, что решения первой группы имеют слишком низкую эффективность и низкую квантовую эффективность эмиссии для одной рекомбинантной пары зарядов.

Включение твердых растворов на основе селенида цинка в полупроводниковый переход позволило увеличить квантовую эффективность. Однако такие диоды имели повышенное электрическое сопротивление на переходе. Из-за этого они быстро перегревались и перегорали, а сложные в изготовлении конструкции теплоотвода работали неэффективно.

Впервые синий светодиод был создан с использованием тонких слоев нитрида галлия, нанесенных на сапфировую подложку.

Белый спектр

Белый спектр может быть получен с помощью одной из трех разработанных технологий:

1. смешивание цветов по методике RGB;

2. нанесение трех слоев красного, зеленого и синего люминофора на ультрафиолетовый светодиод

3. покрытие синего диода слоями желто-зеленого и зелено-красного люминофора.

В первом методе на одном кристалле размещаются три отдельных кристалла, каждый из которых излучает свой спектр RGB. Благодаря оптической системе на основе линз, эти цвета смешиваются для получения полностью белого цвета.

В альтернативном методе смешение цветов достигается путем последовательного воздействия ультрафиолетового излучения на три составляющих слоя люминофора.

Особенности техники белого спектра

Метод RGB

Активируйте различные комбинации монокристаллов в алгоритме управления освещением, последовательно комбинируя их вручную или с помощью автоматической программы;

создают различные оттенки цвета, меняющиеся с течением времени

создавать эффектные световые комплексы для рекламы.

Цветные елочные гирлянды – простой пример такой реализации. Подобные алгоритмы также широко используются дизайнерами.

Недостатками светодиодных конструкций RGB являются:

неоднородный цвет светового пятна в центре и по краям;

неравномерный нагрев и отвод тепла от поверхности матрицы, что приводит к разной скорости старения p-n-переходов, влияет на цветовой баланс, изменяя общее качество белого спектра.

Эти дефекты обусловлены различным расположением монокристаллов на поверхности подложки. Их трудно исправить и отрегулировать. Из-за этой технологии модели RGB являются одними из самых сложных и дорогостоящих в разработке.

Светодиоды с люминофорами

Они проще в проектировании, дешевле в производстве, более экономичны с точки зрения излучения светового потока на единицу мощности.

Для них характерны недостатки:

В люминофорном слое происходят потери световой энергии, которые снижают световой поток;

Сложность технологии нанесения равномерного слоя люминофора влияет на качество цветовой температуры;

Люминофор имеет меньший срок службы, чем сам светодиод, и быстрее стареет в процессе использования.

Особенности различных конструкций светодиодов

Модели продуктов с люминофором и RGB созданы для различных промышленных и бытовых применений.

Варианты питания

Первые светодиоды массового производства потребляли ток около 15 мА при напряжении постоянного тока чуть менее 2 В. Современные изделия имеют более высокие характеристики: до четырех вольт и 50 мА.

Светодиоды для освещения питаются тем же напряжением, но потребляют несколько сотен миллиампер. В настоящее время производители активно разрабатывают и проектируют устройства с силой тока до 1 А.

Для увеличения светового потока создаются светодиодные модули, которые могут использовать последовательное напряжение питания для каждого элемента. В этом случае его значение увеличивается до 12 или 24 В.

При подаче напряжения на светодиод необходимо обращать внимание на полярность. В противном случае ток не течет, и свечение отсутствует. Если используется синусоидально изменяющийся сигнал, светиться будет только положительная полуволна. Сила тока также изменяется пропорционально по закону появления соответствующей величины тока с направлением полюса.

Необходимо учитывать, что при обратном напряжении возможен пробой полупроводникового перехода. Это происходит при напряжении выше 5 В на одном монокристалле.

Управление

Для регулировки яркости излучаемого света используется один из двух методов управления:

1. величина подключаемого напряжения;

Первый метод прост, но неэффективен. Если напряжение падает ниже определенного порога, светодиод может просто погаснуть.

Метод ШИМ, с другой стороны, устраняет это явление, но является гораздо более технически сложным для реализации. Ток, протекающий через полупроводниковый переход монокристалла, не является постоянным, а представляет собой высокочастотный импульсный ток с величиной от нескольких сотен до тысячи герц.

Изменяя ширину импульсов и промежутки между ними (процесс, известный как модуляция), можно регулировать яркость света в широком диапазоне. Формированием этих токов монокристаллами занимаются специальные программируемые блоки управления со сложными алгоритмами.

Спектр излучения

Частота света, излучаемого светодиодом, находится в очень узком диапазоне. Это называется монохроматическим. Он принципиально отличается от спектра длин волн, излучаемых солнцем или нитью накаливания в обычных лампах накаливания.

Существует много споров о воздействии такого света на человеческий глаз. Однако результаты серьезных научных анализов на эту тему нам неизвестны.

Производство

В производстве светодиодов используется только автоматизированная линия, в которой роботы работают по заранее разработанной технологии.

Физический труд человека полностью исключен из производственного процесса.

Обученные специалисты следят только за правильным ходом технологии.

Излучающий кристалл расположен на катоде, который имеет форму флажка и соединен с анодом тончайшей проволокой. Существуют модели с двумя и тремя разноцветными кристаллами в одном корпусе с двумя-четырьмя выводами. Кроме того, в корпус может быть встроен микропроцессор, который управляет последовательностью кристаллов или устанавливает чистоту их мигания. Светодиоды с гнездом DIP отличаются низким током и используются в подсветке, системах отображения и гирляндах.

Принцип работы светодиодов

Несмотря на технологические особенности, рассмотренные выше, работа всех светодиодов основана на общем принципе светоизлучающего элемента. Преобразование электрического тока в свет происходит в кристалле, который состоит из полупроводников с различными типами проводимости. Материал с проводимостью n получают путем легирования его электронами, а материал с проводимостью p – дырками. Таким образом, в соседних слоях создаются дополнительные носители заряда в противоположном направлении. При подаче постоянного напряжения электроны и дырки начинают двигаться к p-n-переходу. Заряженные частицы преодолевают барьер и начинают рекомбинировать, вызывая протекание электрического тока. Процесс рекомбинации дырки и электрона в p-n-переходе сопровождается выделением энергии в виде фотона.

В целом, это физическое явление применимо ко всем полупроводниковым диодам. Однако в большинстве случаев длина волны фотона находится за пределами видимого спектра. Чтобы привести в движение элементарную частицу в диапазоне 400-700 нм, ученым пришлось провести множество экспериментов с подбором соответствующих химических элементов. В результате появились новые соединения: арсенид галлия, фосфид галлия и их более сложные формы, каждая из которых характеризуется разной длиной волны и, соответственно, разным цветом излучения.

Помимо полезного света, излучаемого светодиодом, на p-n-переходе выделяется тепло, которое снижает эффективность полупроводникового прибора. Поэтому при разработке мощных светодиодов необходимо уделять внимание эффективному отводу тепла.

Конструкция состоит из полупроводникового кристалла, расположенного на бусине. Вокруг него размещается корпус с контактными штырьками и оптическая система из пластиковой линзы. Размеры устройства очень малы – самые большие 3*2 мм.

Светодиод представляет собой полупроводниккоторый производит видимое излучение при прохождении через него электрического тока. Именно это принципиально отличает его от всех других ламп. В обычных вариантах нить накала или газ, заполняющий трубку или корпус, светится от тепла. Полупроводник не нагревается. Излучение – это реакция материала на прохождение тока, а не нагрев какой-либо части.

Светодиод дает почти монохроматическое излучение с определенной цветовой температурой. Полупроводники генерируют цветное излучение любого оттенка. В отличие от обычной лампочки, которая может менять цвет только с помощью светофильтра, полупроводник просто излучает красный или синий свет.

Важным преимуществом светодиодов является их возможность создания направленного светового луча. При использовании обычных источников света свет рассеивается во всех направлениях, и направление может быть определено только формой светильника и плафона. Полупроводник генерирует направленный свет под углами от 15 до 180 углов. Уличный фонарь такого типа освещает дорогу под ногами прохожего, а не воздух в переулке.

В 1909 году Генри Раунд и Маркони Лебс впервые описали электролюминесценцию. В 1923 году советский инженер Лосев запатентовал устройство под названием “световое реле”, в котором источником света является полупроводниковый переход. Однако только в 1961 году инфракрасный светодиод, разработанный Ником Холоньяком, нашел промышленное применение. Источник белого света, который можно было бы использовать для освещения, был разработан только в начале 1990-х годов и появился на рынке только в 1993 году.

Принцип работы

Он состоит из полупроводникового чипа, размещенного на плате. Вокруг него расположен корпус с контактными штырьками и оптическая система из пластиковой линзы. Размеры устройства очень малы – самые большие 3*2 мм.

Когда электрический ток течет в прямом направлении, носители заряда – электроны и дырки – перемещаются относительно друг друга. Они рекомбинируют на обедненном слое диода и, благодаря изменению энергетических уровней электронов, излучают оптический свет.

Иногда рассеиваемая мощность или номинальная мощность диода также указывается в технических характеристиках. Если оно дано, его нельзя превышать. Вы уже знаете, как это рассчитать из предыдущего примера. Однако, если мощность не указана, вы можете использовать ток в качестве ориентира.

Стабилитрон

В английской литературе стабилитрон называют диодом Зенера. Это то же самое, что и диод, при прямом подключении. Но сейчас мы поговорим только об обратной связи. При обратном включении диода Зенера происходит обратимый пробой, т.е. при определенном напряжении на диоде Зенера начинает течь ток. Этот пробой является совершенно нормальным режимом работы стабилизатора, в отличие от диода, где диод просто выходит из строя при достижении номинального обратного напряжения. В этом случае ток, протекающий через стабилитрон в режиме отказа, может меняться, в то время как падение напряжения на стабилитроне остается практически неизменным.

Что это нам дает? По сути, это стабилизатор напряжения с низким энергопотреблением. Стабилитрон обладает всеми теми же свойствами, что и диод, плюс имеется стабилизирующее напряжение Uст или номинальное напряжение зенера. Это определяется при определенном токе стабилизации Ist или испытательном токе. Минимальный и максимальный ток стабилизации также указан в документации на стабилизирующие диоды. При изменении тока от минимального до максимального напряжение стабилизации изменяется незначительно, но только незначительно. Смотрите вольт-амперные характеристики.

Рабочий диапазон тока стабилизации отмечен зеленым цветом. На рисунке видно, что напряжение в рабочем диапазоне практически постоянно при широком диапазоне тока, протекающего через стабилизатор.

Для достижения рабочего диапазона необходимо установить ток стабилизации в диапазоне [Iст. мин – Iст. макс] с помощью резистора точно так же, как в примере со светодиодом (кстати, можно использовать и источник тока). Только, в отличие от светодиода, стабилитрон переключается в противоположном направлении.

Если ток меньше Ist min, то стабилизатор не откроется, а если больше Ist max, то это приведет к необратимому тепловому разрушению, т.е. стабилитрон просто сгорит.

Вычисление стабилитрона

Давайте рассмотрим пример нашего рассчитанного трансформаторного источника питания. У нас есть источник питания, выдающий минимум 18 В (в действительности он больше, из-за трансформатора 230/15 В, лучше измерять в реальной схеме, но сейчас не об этом), способный выдавать 1 А. Нужно запитать нагрузку с максимальным током потребления 50мА при стабилизированном напряжении 15В (пусть это будет, например, какой-нибудь абстрактный оп-амп, у них более-менее такое потребление).

Такая слабая нагрузка была выбрана не случайно. Стабилитроны – это довольно маломощные стабилизаторы. Они должны быть спроектированы таким образом, чтобы ток всей нагрузки плюс минимальный ток стабилизации Iст. мин. может проходить через него, не перегреваясь. Это необходимо, поскольку ток через резистор R1 распределяется между стабилизатором и нагрузкой. Ток в нагрузке может быть непостоянным, или нагрузка может быть полностью выведена из цепи. По сути, это параллельный стабилизатор, т.е. весь ток, который не идет на нагрузку, забирает стабилизатор. Это похоже на первый закон Кирхгофа I = I1 + I2, только здесь I = Iнагр + Iст. мин.

Поэтому следует выбрать золотой статор с напряжением стабилизации 15 В. Для регулировки тока, протекающего через стабилитрон, всегда необходим резистор (или источник тока). Резистор R1 понизит напряжение 18 – 15 = 3 В. Через резистор R1 будет протекать ток Iнагр + Iст мин. Предположим, что Ist min = 5 мА, что более или менее достаточно тока для всех стабилизирующих резисторов до 100 В. При напряжении выше 100 В можно считать, что оно составляет 1 мА или меньше. Можно принимать Ist. мин и более, но это только бесполезно нагреет стабилитрон.

Таким образом, по R1 Ir1 = Iнагр. + Iст. мин = 50 + 5 = 55 мА. Из закона Ома сопротивление R1 = U / I = 3 / 0,055 = 54,5 Ом, где U и I – напряжение на резисторе и ток через резистор. Выберите ближайшее стандартное последовательное сопротивление 47 Ом, ток через защелку будет немного больше, но ничего страшного. Можно даже рассчитать, общий ток: Ir1 = U / R = 3 / 47 = 0,063A, а затем минимальный ток через стабилитрон: 63 – 50 = 13 мА. Мощность резистора R1: P = U * I = 3 * 0,063 = 0,189 Вт. Выберите стандартный резистор мощностью 0,5 Вт. Кстати, рекомендую не превышать мощность резистора на Pmax/2, он прослужит дольше.

Стабилизатор также рассеивает мощность в виде тепла, в худшем случае это будет P = Ust * (Inagr + Ist) = 15 * (0,050 + 0,013) = 0,945 Вт. Стабилитроны выпускаются разной мощности, ближайший – 1 Вт, но тогда температура корпуса при мощности около 1 Вт будет где-то 125 градусов C, вам лучше использовать блок питания мощностью 3 Вт. Стабилитроны выпускаются мощностью 0,25, 0,5, 1, 3, 5 Вт и т.д.

Первый запрос в Google “стабилитрон 3 Вт 15 В” дал вам 1N5929BG. Затем вы ищете “datasheet 1N5929BG”. В техническом паспорте указан минимальный ток стабилизации 0,25 мА, что меньше 13 мА, и максимальный 100 мА, что больше 63 мА, так что это нам подходит.

Вот, в принципе, и весь расчет. Да, этот регулятор не идеален, его внутреннее сопротивление не равно нулю, но он прост и дешев и гарантированно работает в определенном диапазоне тока. Кроме того, поскольку это параллельный стабилизатор, ток питания будет постоянным. Более мощные стабилизаторы можно получить, допаяв транзистор, но это тема для другой статьи, о транзисторах.

Обычно невозможно проверить неисправность с помощью простого мультиметра. При более или менее высоковольтном регуляторе напряжения на щупах просто не хватает. Единственное, что вы можете сделать, это проверить, что диод нормально проводит в прямом направлении. Но это косвенно гарантирует, что он будет работать.

Стабилитроны также могут использоваться в качестве источников опорного напряжения, но они шумные. Для этого выпускаются специальные малошумящие регуляторы, но их цена в моем понимании зашкаливает за кусок кремния, лучше немного добавить и купить интегральный источник с лучшими характеристиками.

Существует также множество полупроводниковых приборов, похожих на диод: тиристор (управляемый диод), симистор (симметричный тиристор), диод (открывается импульсно только при достижении определенного напряжения), варикап (с переменной емкостью), что-то еще. Первые пригодятся вам в силовой электронике при создании управляемых выпрямителей или активных регуляторов нагрузки. Я не сталкивался с последним уже около 10 лет, поэтому оставлю эту тему в вики для ознакомления, по крайней мере, о тиристоре.

Читайте далее: