Светоизлучающие диоды (LED) — это эффективные полупроводники, которые генерируют свет с помощью процесса, известного как электролюминесценция. Они меньше, долговечнее и надежнее, чем лампы накаливания или люминесцентные лампы. Применяемые в освещении, дисплеях и специализированных областях, светодиоды обеспечивают высокую производительность и экономию энергии. В этой статье представлена информация о том, как работают светодиоды, их характеристиках, сроке службы и расширенных типах.
С1. Обзор светодиодов
С2. Световое излучение в полупроводниках
С3. Электрические характеристики светодиодов
С4. Световая мощность и эффективность светодиодов
С5. Цвет светодиодов и качество рендеринга
С6. Срок службы светодиодов и поддержание люменов
С7. Управление температурным режимом светодиодов
С8. Методы привода светодиодов
С9. Светодиодная упаковка и оптика
С10. Специализированные типы светодиодов
С11. Заключение
С12. Часто задаваемые вопросы [FAQ]
Обзор светодиодов
Светоизлучающий диод (LED) — это полупроводниковое устройство, которое генерирует свет, когда через него протекает ток в прямом направлении. В отличие от ламп накаливания, которые светятся при нагревании нити накаливания, или люминесцентных ламп, которые полагаются на возбуждение газа, светодиоды функционируют за счет электролюминесценции, прямого излучения фотонов, когда электроны рекомбинируют с отверстиями внутри полупроводника. Этот процесс делает их гораздо более эффективными и надежными по сравнению со старыми технологиями. Светодиоды выделяются благодаря компактной конструкции, длительному сроку службы, устойчивости к ударам и вибрации, а также минимальному энергопотреблению.
Световое излучение в полупроводниках
Это изображение объясняет процесс излучения света в полупроводниках, который является принципом работы светодиодов. Когда полупроводник возбуждается электрическим током или оптической инжекцией, электроны перемещаются из валентной зоны в зону проводимости, создавая разделение между электронами и дырками. Эта разность энергий называется запрещенной зоной (Eg).
После возбуждения электрон в зоне проводимости в конечном итоге рекомбинирует с дырой в валентной зоне. Во время этого процесса рекомбинации потерянная энергия высвобождается в виде фотона. Энергия испускаемого фотона точно соответствует запрещенной зоне материала, то есть длина волны (или цвет) света зависит от запрещенной зоны полупроводника.
Электрические характеристики светодиодов
| Цвет светодиода | Прямое напряжение (Вт) | Прямой ток (мА) | Примечания |
|---|---|---|---|
| Красный | 1.6 – 2.0 В | 5 – 20 мА | Самый низкий Vf, высокоэффективный |
| Зелёный | 2.0 – 2.4 В | 5 – 20 мА | Немного выше Vf |
| Синий | 2.8 – 3.3 В | 5 – 20 мА | Требуется больше напряжения |
| Белый | 2.8 – 3.5 В | 10 – 30 мА | Изготовлен с синим светодиодным + люминофорным покрытием |
Световая мощность и эффективность светодиодов
| Источник света | Эффективность (люмен на ватт) | Примечания |
|---|---|---|
| Лампа накаливания | \~10–15 лм/Вт | Большая часть энергии теряется в виде тепла |
| Галогенная лампа | \~15–25 лм/Вт | Немного лучше, чем лампа накаливания |
| Люминесцентная лампа | \~50–100 лм/Вт | Требует балласта, содержит ртуть |
| Компактные люминесцентные лампы (КЛЛ) | \~60–90 лм/Вт | Компактный форм-фактор, снятие с производства |
| Современные светодиодные | 120–200 лм/Вт | Доступно в потребительском освещении |
| Прототипы светодиодов высокого класса | 250–300+ лм/Вт | Лабораторные испытания, демонстрирующие будущий потенциал |
Цвет светодиодов и качество рендеринга
Коррелированная цветовая температура (CCT)
• Теплый белый (2700K–3500K): создает желтоватое свечение, лучше всего подходит для гостиных, ресторанов и уютных помещений.
• Нейтральный белый (4000K–4500K): сбалансированный и удобный, часто используется в офисах, учебных классах и торговых помещениях.
• Холодный белый (5000–6500K): четкий, голубоватый свет, похожий на дневной свет, отлично подходит для наружного освещения, мастерских и помещений с тяжелыми задачами.
Индекс цветопередачи (CRI)
• CRI ≥ 80: подходит для бытового и коммерческого освещения.
• CRI ≥ 90: требуется в областях, требующих точного цветового решения, таких как художественные студии, медицинские учреждения и элитная розничная торговля.
Срок службы светодиодов и поддержание светового потока
Стандарт L70
Срок службы светодиодов измеряется стандартом L70. Это значение представляет собой количество часов работы до тех пор, пока световой поток светодиода не упадет до 70% от его первоначальной яркости. На данный момент светодиод все еще функционирует, но больше не обеспечивает требуемое качество освещения. L70 обеспечивает согласованный способ сравнения характеристик светодиодов разных производителей.
Срок службы светодиодов
• Потребительские светодиоды: 25 000 – 50 000 часов использования.
• Промышленные светодиоды: 50 000 – 100 000+ часов, предназначенные для более суровых условий и более высоких рабочих циклов.
Управление температурным режимом светодиодов
Температура перехода (Тдж)
Температура перехода — это внутренняя температура в точке, где свет генерируется внутри светодиодного чипа. Производители указывают безопасный рабочий диапазон ниже 125 °C. При превышении этого значения яркость, эффективность и срок службы светодиода снижаются. Поддержание низкого уровня Tj гарантирует, что светодиод сможет соответствовать своей номинальной производительности.
Тепловой тракт перехода к окружающей среде
Тепло, выделяемое внутри светодиода, должно распространяться от соединения к окружающему воздуху. Этот путь называется путем перехода к окружающей среде. Проектировщики измеряют его эффективность с помощью термического сопротивления (RθJA), выраженного в °C/Вт. Более низкое тепловое сопротивление означает, что тепло передается более эффективно, что делает светодиод более холодным и стабильным.
Методы охлаждения
• Радиаторы - Алюминиевые ребра поглощают и распределяют тепло от светодиода.
• Тепловые переходные отверстия - Небольшие металлизированные отверстия на печатной плате проводят тепло от светодиодной площадки к медным слоям.
• Печатные платы с металлическим сердечником (MCPCB) - используемые в мощных светодиодах, эти платы имеют металлическую основу, которая эффективно передает тепло.
• Активное охлаждение - Вентиляторы или системы жидкостного охлаждения используются в сложных условиях, таких как проекторы, освещение стадионов или промышленные приборы.
Методы вождения светодиодов
Драйверы постоянного тока
Драйвер постоянного тока поддерживает стабильный ток светодиода даже при колебаниях напряжения питания. Это самый надежный способ питания светодиодов, так как он предотвращает тепловой разгон и поддерживает постоянный световой поток. Высококачественные драйверы часто включают в себя защиту от короткого замыкания, скачков напряжения и перегрева.
Диммирование ШИМ
Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) контролирует яркость, включая и выключая светодиод на очень высоких скоростях. При корректировке рабочего цикла (отношения времени включения и выключения) воспринимаемая яркость изменяется плавно. Поскольку частота переключения находится выше дальности обнаружения человеческого глаза, свет кажется постоянным. Плохо спроектированные системы с низкочастотной ШИМ могут вызывать видимое мерцание, что приводит к напряжению глаз или артефактам камеры.
Аналоговое затемнение
При аналоговом затевании яркость регулируется путем изменения амплитуды тока, протекающего через светодиод. Этот метод позволяет избежать проблем с мерцанием, но может немного сместить цвет светодиода, особенно при очень низких уровнях яркости. Аналоговое затемнение часто сочетается с ШИМ в современных системах для достижения плавного управления цветом и точной регулировки яркости.
Светодиодная упаковка и оптика
Светодиоды для устройств поверхностного монтажа (SMD)
Светодиоды SMD являются наиболее часто используемым типом в современном освещении. Они монтируются непосредственно на печатную плату и поставляются в стандартных размерах, таких как 2835 и 5050. Светодиоды SMD обеспечивают хорошую эффективность и гибкость, что делает их лучшими для светодиодных лент, бытовых лампочек и панельных светильников. Их компактный размер позволяет легко интегрировать их в тонкие и легкие светильники.
Светодиоды Chip-on-Board (COB)
Корпуса COB устанавливают несколько светодиодных матриц непосредственно на одной подложке, создавая плотный источник света. Такая конструкция обеспечивает более высокую яркость, более плавный световой поток и меньшее количество бликов по сравнению с отдельными SMD. Светодиоды COB используются в прожекторах, потолочных светильниках и лампах высокой мощности, где требуется сильное направленное освещение.
Светодиоды в корпусе Chip-Scale Package (CSP)
Технология CSP устраняет необходимость в громоздкой упаковке, уменьшая размер светодиода практически до того же размера, что и сам полупроводниковый кристалл. Это позволяет создавать более компактные, эффективные и термически стабильные конструкции. Светодиоды CSP широко используются в автомобильных фарах, подсветке смартфонов и дисплеях, где требуется компактность и долговечность.
Оптика и управление лучом
Необработанный свет от светодиодного корпуса не всегда подходит для непосредственного использования. Чтобы формировать и направлять свет, дизайнеры используют оптические элементы, такие как линзы для фокусировки или распространения света. Отражатели для перенаправления и управления углами луча. Диффузоры для мягкого, равномерного освещения.
Специализированные типы светодиодов
УФ-светодиоды
Излучайте ультрафиолетовый свет для стерилизации, отверждения клея и обнаружения подделок. Безопасная, компактная альтернатива ртутным УФ-лампам.
ИК-светодиоды
Производите невидимый инфракрасный свет для пультов дистанционного управления, систем ночного видения и биометрических систем. Эффективен и широко используется в электронике и безопасности.
Органические светодиоды
Тонкие, гибкие органические светодиоды используются в смартфонах, телевизорах и носимых устройствах. Обеспечивают яркие цвета и контрастность, но имеют более короткий срок службы.
Микро-светодиоды
Дисплеи нового поколения обеспечивают более яркую, эффективную и долговечную работу по сравнению с OLED-дисплеями. Лучше всего подходит для AR/VR, телевизоров и умных часов.
Лазерные диоды
Полупроводниковые устройства, создающие когерентные пучки высокой интенсивности. Используется в волоконной оптике, сканерах, медицинских инструментах и лазерных указках.
Заключение
Светодиоды превратились в универсальные компоненты, используемые в освещении, дисплеях и передовых технологиях. Их эффективность, долговечность и управляемость отличают их от старых источников света. Специализированные формы, такие как УФ, ИК, OLED и микросветодиоды, еще больше расширяют свою роль. Благодаря постоянному совершенствованию, светодиоды остаются центральным элементом будущего устойчивых и высокопроизводительных систем освещения.
Часто задаваемые вопросы [FAQ]
В1. Из каких материалов изготавливают светодиоды?
Светодиоды изготавливаются из полупроводников, таких как арсенид галлия (GaAs), фосфид галлия (GaP) и нитрид галлия (GaN).
В2. Зачем светодиодам резисторы?
Резисторы ограничивают протекание тока и защищают светодиоды от перегорания.
В3. Как производятся белые светодиоды?
В белых светодиодах используется синий светодиодный чип с желтым люминофорным покрытием для создания белого света.
В4. Почему светодиоды со временем меняют цвет?
Светодиоды меняют цвет из-за нагрева и деградации материала, а также из-за деградации люминофора.
В5. Могут ли светодиоды работать в экстремальных условиях?
Да. При правильной конструкции светодиоды могут работать в очень холодных, жарких, влажных или пыльных условиях.
В6. Как проверяется срок службы светодиодов?
Светодиоды проверяются на тепловые, влажностные и электрические нагрузки для оценки срока службы.