Светодиоды, обычно называемые светодиодами, являются настоящими незамеченными героями в мире электроники. Они выполняют много разных работ на всевозможных устройствах. Они формируют числа на цифровых часах, передают информацию с пультов дистанционного управления, подсвечивают часы и сообщают вам, когда ваша техника включена. Собранные вместе, они могут формировать изображения на большом телевизионном экране или освещать светофор.
По сути, светодиоды — это просто крошечные лампочки, которые легко вписываются в электрическую цепь. Но в отличие от ламп накаливания, у них нет перегорающих нитей накаливания, они потребляют меньше электроэнергии и не сильно нагреваются. Они освещаются исключительно движением электронов в полупроводниковом материале и служат столько же, сколько и стандартный транзистор. Срок службы светодиода превышает короткий срок службы лампы накаливания на тысячи часов. Из-за этих преимуществ крошечные светодиоды являются одной из самых популярных технологий, используемых для освещения ЖК-телевизоров.
Светодиоды имеют ряд преимуществ перед обычными лампами накаливания, но их основное преимущество заключается в затрат. В лампах накаливания процесс производства света включает выделение большого количества тепла (для освещения нить накала должна быть нагрета). Эта энергия полностью тратится впустую, если вы не используете лампу в качестве обогревателя, потому что огромная часть доступного электричества не идет на производство видимого света. Условно говоря, светодиоды выделяют очень мало тепла. Гораздо больший процент электроэнергии идет непосредственно на выработку света, что значительно снижает потребность в электроэнергии.
На ватт светодиоды излучают больше люменов (или количества видимого света), чем обычные лампы накаливания. Светодиоды имеют более высокую светоотдачей (насколько эффективно электричество преобразуется в видимый свет), чем лампы накаливания — 60-ваттная лампа накаливания может генерировать от 750 до 900 люмен, но вы можете получить такую же мощность от светодиодной лампы, используя всего 6-8 Вт. И та же самая светодиодная лампа может работать 25,000 60 часов, но 1,200-ваттная лампа накаливания, вероятно, будет светиться только около 21 часов. Другими словами, одна светодиодная лампа может работать столько же, сколько последовательно горит 60 лампа накаливания мощностью XNUMX Вт [источник: EarthEasy].
До недавнего времени светодиоды были слишком дорогими для большинства осветительных приборов, потому что они построены на основе передовых полупроводниковых материалов. Однако после 2000 года цены на полупроводниковые устройства резко упали, что сделало светодиоды более экономичным вариантом освещения для широкого круга ситуаций. Хотя они могут быть дороже, чем лампы накаливания (около 5 долларов против 1 доллара за лампы накаливания), их более низкая стоимость в долгосрочной перспективе может сделать их более выгодной покупкой. Несколько компаний начали продавать светодиодные лампы, предназначенные для конкуренции с лампами накаливания и компактными люминесцентными лампами, которые обещают обеспечить долгий срок службы яркого света и удивительную энергоэффективность.
В этой статье мы рассмотрим технологию, лежащую в основе этих вездесущих шор, освещая при этом некоторые интересные принципы электричества и света.
- Что такое диод?
- Как диод может излучать свет?
- Светодиодные лампы против КЛЛ и ламп накаливания
- Светодиодные телевизоры и будущее светодиодов
На стыке свободные электроны из материала N-типа заполняют дырки из материала P-типа. Это создает изолирующий слой в середине диода, называемый зоной обеднения.
Диод — простейший полупроводниковый прибор. Вообще говоря, полупроводник материал с различной способностью проводить электрический ток. Большинство полупроводников состоят из плохого проводника, в который добавлены примеси (атомы другого материала). Процесс добавления примесей называется допинга.
В случае светодиодов материал проводника обычно представляет собой арсенид алюминия-галлия (AlGaAs). В чистом арсениде алюминия-галлия все атомы идеально связаны со своими соседями, не оставляя свободных электронов (отрицательно заряженных частиц), проводящих электрический ток. В легированном материале дополнительные атомы изменяют баланс, либо добавляя свободные электроны, либо создавая дыры, через которые могут пройти электроны. Любое из этих изменений делает материал более проводящим.
Полупроводник с дополнительными электронами называется Материал N-типа, так как он имеет дополнительные отрицательно заряженные частицы. В материале N-типа свободные электроны перемещаются из отрицательно заряженной области в положительно заряженную область.
Когда отрицательный конец цепи подключается к слою N-типа, а положительный конец подключается к слою P-типа, электроны и дырки начинают двигаться, и зона обеднения исчезает.
Полупроводник с дополнительными дырками называется Материал P-типа, так как он фактически имеет дополнительные положительно заряженные частицы. Электроны могут перескакивать с дырки на дырку, перемещаясь из отрицательно заряженной области в положительно заряженную. В результате кажется, что сами дырки перемещаются из положительно заряженной области в отрицательно заряженную.
Диод состоит из участка материала N-типа, соединенного с участком материала P-типа, с электродами на каждом конце. Такое расположение проводит электричество только в одном направлении. Когда на диод не подается напряжение, электроны из материала N-типа заполняют дырки из материала P-типа вдоль стыка между слоями, образуя зону обеднения. В зона истощения, полупроводниковый материал возвращается в исходное изолирующее состояние — все отверстия заполнены, поэтому нет свободных электронов или пустых мест для электронов, и электричество не может течь.
Когда положительный конец цепи подключен к слою N-типа, а отрицательный конец подключен к слою P-типа, свободные электроны собираются на одном конце диода, а дырки — на другом. Зона истощения становится больше.
Чтобы избавиться от зоны истощения, вы должны заставить электроны двигаться из области N-типа в область P-типа, а дырки двигаться в обратном направлении. Для этого вы подключаете сторону диода N-типа к отрицательному концу цепи, а сторону P-типа к положительному концу. Свободные электроны в материале N-типа отталкиваются отрицательным электродом и притягиваются к положительному электроду. Отверстия в материале P-типа перемещаются в другую сторону. Когда разность потенциалов между электродами становится достаточно высокой, электроны в зоне обеднения выталкиваются из своих отверстий и снова начинают свободно двигаться. Зона обеднения исчезает, и заряд движется по диоду.
Если вы попытаетесь запустить ток другим способом, когда сторона P-типа подключена к отрицательному концу цепи, а сторона N-типа подключена к положительному концу, ток не будет течь. Отрицательные электроны в материале N-типа притягиваются к положительному электроду. Положительные отверстия в материале P-типа притягиваются к отрицательному электроду. Ток через переход не течет, потому что дырки и электроны движутся в неправильном направлении. Зона истощения увеличивается. (Дополнительную информацию обо всем процессе см. в разделе «Как работают полупроводники».)
Взаимодействие между электронами и дырками в этой установке имеет интересный побочный эффект — оно генерирует свет!
Принцип работы светодиода: как работает светильник, технические характеристики и история создания
Несмотря на то, что были приложены все усилия для соблюдения правил стиля цитирования, могут быть некоторые расхождения. Пожалуйста, обратитесь к соответствующему руководству по стилю или другим источникам, если у вас есть какие-либо вопросы.
Наши редакторы рассмотрят то, что вы отправили, и решат, следует ли пересматривать статью.
Несмотря на то, что были приложены все усилия для соблюдения правил стиля цитирования, могут быть некоторые расхождения. Пожалуйста, обратитесь к соответствующему руководству по стилю или другим источникам, если у вас есть какие-либо вопросы.
Наши редакторы рассмотрят то, что вы отправили, и решат, следует ли пересматривать статью.
Прочтите краткий обзор этой темы
LED, в полном объеме светодиод, в электронике полупроводниковое устройство, излучающее инфракрасный или видимый свет при зарядке электрическим током. Видимые светодиоды используются во многих электронных устройствах в качестве контрольных ламп, в автомобилях в качестве задних оконных и стоп-сигналов, а также на рекламных щитах и вывесках в качестве буквенно-цифровых дисплеев или даже полноцветных плакатов. Инфракрасные светодиоды используются в автофокусных камерах и телевизионных пультах дистанционного управления, а также в качестве источников света в волоконно-оптических телекоммуникационных системах.
Известная лампочка испускает свет посредством накаливания, явления, при котором нагрев нити накала электрическим током заставляет провод испускать фотоны, основные энергетические пакеты света. Светодиоды работают за счет электролюминесценции, явления, при котором испускание фотонов вызвано электронным возбуждением материала. Материалом, наиболее часто используемым в светодиодах, является арсенид галлия, хотя существует множество вариаций этого основного соединения, например, арсенид алюминия-галлия или фосфид алюминия-галлия-индия. Эти соединения относятся к так называемой III-V группе полупроводников, т. е. соединениям, состоящим из элементов, перечисленных в столбцах III и V периодической таблицы. Изменяя точный состав полупроводника, можно изменить длину волны (и, следовательно, цвет) излучаемого света. Излучение светодиодов обычно находится в видимой части спектра (т. е. с длинами волн от 0.4 до 0.7 мкм) или в ближней инфракрасной области (с длинами волн от 0.7 до 2.0 мкм). Яркость света, наблюдаемого от светодиода, зависит от мощности, излучаемой светодиодом, и от относительной чувствительности глаза на излучаемой длине волны. Максимальная чувствительность достигается при 0.555 мкм, что находится в желто-оранжевой и зеленой области. Прикладываемое напряжение в большинстве светодиодов довольно низкое, в районе 2.0 вольт; ток зависит от приложения и колеблется от нескольких миллиампер до нескольких сотен миллиампер.
Термин диод относится к двухполюсной структуре светоизлучающего устройства. Например, в фонарике нить накала соединена с батареей через две клеммы, одна из которых (анод) несет отрицательный электрический заряд, а другая (катод) несет положительный заряд. В светодиодах, как и в других полупроводниковых устройствах, таких как транзисторы, «выводы» на самом деле представляют собой два полупроводниковых материала с разным составом и электронными свойствами, соединенные вместе, чтобы сформировать переход. В одном материале (негативе или n-типа, полупроводниковый) носителями заряда являются электроны, а в другом (положительном, или p-тип, полупроводник) носители заряда представляют собой «дырки», созданные отсутствием электронов. Под действием электрического поля (создаваемого, например, батареей, когда включается светодиод) ток может течь через p–n переход, обеспечивающий электронное возбуждение, которое заставляет материал люминесцировать.
В типичной светодиодной конструкции купол из прозрачной эпоксидной смолы служит конструктивным элементом, скрепляющим выводную рамку, линзой для фокусировки света и согласующим показателем преломления, позволяющим большему количеству света выходить из светодиодного чипа. Чип, обычно размером 250 × 250 × 250 микрометров, устанавливается в отражающую чашку, выполненную в выводной рамке. p–nслои GaP:N -типа представляют собой добавление азота к фосфиду галлия для получения зеленого свечения; в p–nслои -типа GaAsP:N представляют собой добавление азота к фосфиду арсенида галлия для получения оранжевого и желтого свечения; и pСлой GaP:Zn,O -типа представляет собой добавление цинка и кислорода к фосфиду галлия для получения красного свечения. Двумя дальнейшими усовершенствованиями, разработанными в 1990-х годах, являются светодиоды на основе фосфида алюминия-галлия-индия, которые эффективно излучают свет от зеленого до красно-оранжевого, а также светодиоды синего излучения на основе карбида кремния или нитрида галлия. Синие светодиоды можно комбинировать в кластере с другими светодиодами для получения всех цветов, включая белый, для полноцветных движущихся дисплеев.
Любой светодиод можно использовать в качестве источника света для оптоволоконной системы передачи на короткие расстояния, то есть на расстояние менее 100 метров (330 футов). Однако для волоконной оптики дальнего действия свойства излучения источника света выбираются в соответствии со свойствами передачи оптического волокна, и в этом случае инфракрасные светодиоды лучше подходят, чем светодиоды видимого света. Стеклянные оптические волокна имеют наименьшие потери при передаче в инфракрасном диапазоне на длинах волн 1.3 и 1.55 мкм. Чтобы соответствовать этим свойствам пропускания, используются светодиоды, изготовленные из фосфида арсенида галлия и индия, нанесенного на подложку из фосфида индия. Точный состав материала можно отрегулировать, чтобы излучать энергию точно на 1.3 или 1.55 микрометра.
Редакторы Британской энциклопедии Эта статья была недавно отредактирована и обновлена Адамом Августином.
Узнайте о светодиодном освещении
LED стенды для светодиод. Светодиодные осветительные приборы производят свет на 90% эффективнее, чем лампы накаливания. Как они работают? Электрический ток проходит через микрочип, который освещает крошечные источники света, которые мы называем светодиодами, и в результате получается видимый свет. Чтобы предотвратить проблемы с производительностью, тепло, выделяемое светодиодами, поглощается радиатором.
Срок службы светодиодных осветительных приборов
Компания срок полезного использования светодиодных осветительных приборов определяется иначе, чем у других источников света, таких как лампы накаливания или компактные люминесцентные лампы (КЛЛ). Светодиоды обычно не «сгорают» и не выходят из строя. Вместо этого они испытывают «амортизацию светового потока», когда яркость светодиода медленно тускнеет с течением времени. В отличие от ламп накаливания, «срок службы» светодиодов определяется прогнозом, когда светоотдача уменьшится на 30 процентов.
Как светодиоды используются в освещении
светодиоды встраиваются в лампы и светильники для общего освещения. Небольшие по размеру светодиоды открывают уникальные возможности для дизайна. Некоторые решения на основе светодиодных ламп могут физически напоминать знакомые лампочки и лучше соответствовать внешнему виду традиционных ламп накаливания. Некоторые светодиодные светильники могут иметь встроенные светодиоды в качестве постоянного источника света. Существуют также гибридные подходы, в которых используется нетрадиционный формат «лампочки» или сменного источника света, специально разработанный для уникального светильника. Светодиоды предлагают огромные возможности для инноваций в форм-факторах освещения и подходят для более широкого спектра применений, чем традиционные технологии освещения.
Светодиоды и тепло
Светодиоды используют радиаторы для поглощения тепла, выделяемого светодиодом, и рассеивания его в окружающую среду. Благодаря этому светодиоды не перегреваются и не перегорают. Управление температурным режимом как правило, это единственный наиболее важный фактор успешной работы светодиода в течение всего срока его службы. Чем выше температура, при которой работают светодиоды, тем быстрее ухудшается качество света и тем короче срок службы.
Светодиодные продукты используют множество уникальных конструкций и конфигураций радиатора для управления теплом. Сегодня достижения в области материалов позволили производителям разрабатывать светодиодные лампы, которые соответствуют формам и размерам традиционных ламп накаливания. Независимо от конструкции радиатора, все светодиодные продукты, получившие сертификат ENERGY STAR, были протестированы, чтобы убедиться, что они правильно распределяют тепло, чтобы световой поток оставался должным образом до конца номинального срока службы.
Чем светодиодное освещение отличается от других источников света, таких как лампы накаливания и компактные люминесцентные лампы (КЛЛ)?
Светодиодное освещение отличается от ламп накаливания и люминесцентных ламп по нескольким параметрам. При правильном проектировании светодиодное освещение является более эффективным, универсальным и служит дольше.
Светодиоды являются «направленными» источниками света, что означает, что они излучают свет в определенном направлении, в отличие от ламп накаливания и компактных люминесцентных ламп, которые излучают свет и тепло во всех направлениях. Это означает, что светодиоды могут более эффективно использовать свет и энергию во множестве приложений. Однако это также означает, что для производства светодиодной лампочки, излучающей свет во всех направлениях, необходимы сложные инженерные решения.
Общие цвета светодиодов включают янтарный, красный, зеленый и синий. Для получения белого света светодиоды разных цветов комбинируются или покрываются люминофорным материалом, который преобразует цвет света в знакомый «белый» свет, используемый в домах. Люминофор представляет собой желтоватый материал, покрывающий некоторые светодиоды. Цветные светодиоды широко используются в качестве сигнальных и световых индикаторов, таких как кнопка питания на компьютере.
В КЛЛ электрический ток течет между электродами на каждом конце трубки, содержащей газы. Эта реакция производит ультрафиолетовый (УФ) свет и тепло. Ультрафиолетовый свет преобразуется в видимый свет, когда он попадает на люминофорное покрытие внутри колбы. Узнайте больше о КЛЛ.
Лампы накаливания излучают свет, используя электричество для нагрева металлической нити до тех пор, пока она не станет «белой» горячей или, как говорят, не раскалится. В результате лампы накаливания выделяют 90% своей энергии в виде тепла.
Почему я должен выбирать продукты светодиодного освещения, сертифицированные ENERGY STAR?
Сегодня доступно больше вариантов освещения, чем когда-либо прежде. Несмотря на это, ENERGY STAR по-прежнему является простым выбором для экономии на счетах за коммунальные услуги.
К светодиодным лампам, получившим сертификат ENERGY STAR, предъявляются очень специфические требования, призванные воспроизвести опыт, к которому вы привыкли при использовании стандартной лампы, поэтому их можно использовать для самых разных целей. Как показано на рисунке справа, светодиодная лампа общего назначения, не отвечающая требованиям ENERGY STAR, может не распространять свет повсюду и может разочаровать при использовании в настольной лампе.
ENERGY STAR означает высокое качество и производительность, особенно в следующих областях:
- Качество цвета
- 5 различных требований к цвету, чтобы обеспечить качество сразу и с течением времени
- Минимум светоотдачи, чтобы обеспечить достаточное количество света
- Требования к распределению света, чтобы свет попадал туда, куда вам нужно
- Руководство по заявлениям об эквивалентности, позволяющее избежать догадок при замене
- Подтвержденное соответствие более чем 20 требованиям по производительности и маркировке
- Долгосрочное тестирование для подтверждения пожизненных заявлений
- Тестирование продуктов в условиях эксплуатации, аналогичных тем, как вы будете использовать продукт дома.
- Требуемая минимальная гарантия 3 года
И, как и все продукты ENERGY STAR, сертифицированные светодиодные лампы ежегодно проходят выборочное тестирование, чтобы убедиться, что они продолжают соответствовать требованиям ENERGY STAR.
Для получения дополнительной информации о том, как выбрать лампочку с сертификатом ENERGY STAR для каждого применения в вашем доме, ознакомьтесь с Руководством по покупке лампочки ENERGY STAR (PDF, 1.49 МБ) или воспользуйтесь интерактивным онлайн-инструментом «Выбор лампы».
