Принцип работы светодиода

Светодиоды, пришедшие в нашу жизнь несколько десятилетий назад, сегодня являются самыми популярными и перспективными осветительными приборами с точки зрения практичности, безопасности и удобства. Обусловлено это кардинальным отличием устройства и характеристик светодиодов в сравнении с лампами накаливания или люминесцентными лампами.

Устройство светодиода

Являясь полупроводниковым прибором, светодиод преобразует ток в световое излучение. Принцип работы светодиода основан на p-n переходе. Это явление в физике трактуется как «область соприкосновения двух полупроводниковых материалов с проводимостью разного типа»: n-тип (отрицательный, электронный) и p-тип (положительный, дырочный). Для процесса необходим постоянный ток, текущий в одном направлении.

В светодиоде при протекании электрического тока электроны «вылетают» с одной пластины и «выбивают» электроны с другой пластины, образуя «дырки». В процессе аннигиляции (или рекомбинации) пар электронов выделяется свет.

Элементы, из которых состоит светодиод:

• Полупроводниковый кристалл;
• Токонепроницаемая подложка;
• Корпус с выводами контактов;
• Силикон, который заполняет пространство между корпусом и кристаллом;
• Основа из меди или алюминия.

Размер прибора совсем мал – до ½ спички. Широкий цветовой спектр излучения достигается применением различных материалов и добавок в составе полупроводников.

При подключении обычного светодиода к сети переменного тока он будет пропускать ток лишь в одном полупериоде и не пропускать в другом. Прибор будет мигать почти незаметно для человеческого глаза (где-то 50 раз в секунду) и подвергаться повышенной нагрузке во время обратного полупериода. Необходимо принять меры для ограничения напряжения в обратном полупериоде. Существуют различные, в том числе не очень сложные варианты решения этой задачи.

Новое в этой области – AC-LED приборы. Это светодиоды (вернее, схемы), которые подключаются напрямую к сети переменного тока. Работа светодиода переменного тока упрощенно выглядит так: полупроводники соединены в цепь, в каждом полупериоде одна половина излучает свет, а другая – нет. Технологии выходят на рынок и завоевывают популярность.

Немного истории

Впервые подобное световое явление наблюдали физики-экспериментаторы более 100 лет назад, но объяснить его не могли. Многие ученые занимались исследованиями в этой области, в том числе и наш соотечественник Олег Лосев. Он проводил эксперименты еще в 30-х годах 20-го века, но не смог прийти к открытию, – умер во время блокады Ленинграда.

В послевоенные годы полупроводники стали объектом внимания всей мировой науки. Открытие p-n перехода положило начало «новой эры», которая принесла нам всю современную электронику. Теория p-n перехода помогла объяснить многие свойства полупроводников, в том числе и свечение, а в 1962 году Ник Холоньяк (США) создал первый светодиод, или LED (от англ. Light Emission Diode – светоизлучающий диод). Изобретение положило начало промышленному производству новых приборов. Правда, область применения их на первых порах была невелика. Светодиоды имели синий цвет и использовались в основном для индикации.

С тех пор технология светодиодных ламп шагнула далеко вперёд, что позволило увеличить яркость и расширить цветовую гамму излучения. Это положило начало широкому использованию светодиодов в качестве полноценных осветительных приборов.

Важные характеристики

Сегодня сложно найти сферу человеческой жизни, куда ещё не добрались светодиоды. Характеристики LED-приборов определяют самый широкий спектр их применения:

• Долговечность. Срок работы светодиода 20 и более лет.
• Взрывобезопасность и пожаробезопасность. Светодиоды выделяют гораздо меньше тепловой энергии, чем другие осветительные приборы. Помимо этого, через медную или алюминиевую пластину осуществляется дополнительное охлаждение. Срок службы прибора обратно пропорционален степени нагрева. Приборы не нагревают расположенные рядом предметы.
• Термостойкость и влагостойкость. Температура работы светодиодов находится в пределах от -50°С до +60°С. Они не нуждаются в дополнительной защите при работе в сложных условиях.
• Экономичность. Потребление электроэнергии почти на порядок ниже, чем у ламп накаливания.
• Экологичность. Элементы светодиода не содержат вредных и агрессивных компонентов.
• Светодиоды не боятся перепадов напряжения в сети (они более чувствительны к силе тока, которую пропускают через себя). Напряжение работы светодиодов варьируется в широком диапазоне и зависит от предназначения конкретного прибора. Так, инфракрасному светодиоду для свечения достаточно 1,2 В. В то же время бытовые светодиодные лампы могут работать при напряжении 220-230 В.

Современная промышленность предлагает светодиодные осветительные приборы различной формы, яркости, цвета и дизайна, что стремительно увеличивает их популярность.