Как сделать кристалл светодиода

Обновлено: 04.07.2024

Светодиоды – одни из самых популярных электронных компонентов, использующиеся практически в любой схеме. Словосочетание “помигать светодиодами” часто используется для обозначений первой задачи при проверке жизнеспособности схемы. В этой статье мы узнаем, как работают светодиода, сделаем краткий обзор их видов, а также разберемся с такими практическими вопросами как определение полярности и расчет резистора.

Устройство светодиода

Светодиоды — полупроводниковые приборы с электронно-дырочным переходом, создающий оптическое излучение при пропускании через него электрического тока в прямом направлении.

Излучаемый светодиодом свет лежит в узком диапазоне спектра. Иными словами, его кристалл изначально излучает конкретный цвет (если речь идёт об СД видимого диапазона) — в отличие от лампы, излучающей более широкий спектр, где нужный цвет можно получить лишь применением внешнего светофильтра. Диапазон излучения светодиода во многом зависит от химического состава использованных полупроводников.

Светодиод состоит из нескольких частей:

анод, по которому подается положительная полуволна на кристалл;
катод, по которому подается отрицательная полуволна на кристалл;
отражатель;
кристалл полупроводника;
рассеиватель.

Эти элементы есть в любом светодиоде, вне зависимости от его модели.

Светодиод является низковольтным прибором. Для индикаторных видов напряжение питания должно составлять 2-4 В при токе до 50 мА. Диоды для освещения потребляют такое же напряжение, но их ток выше – достигает 1 Ампер. В модуле суммарное напряжение диодов оказывается равным 12 или 24 В.

Подключать светодиод нужно с соблюдением полярности, иначе он выйдет из строя.

Цвета светодиодов

Светодиоды бывают разных цветов. Получить нужный оттенок можно несколькими способами.

Первый – покрытие линзы люминофором. Таким способом можно получить практически любой цвет, но чаще всего эта технология используется для создания белых светодиодов.

RGB технология. Оттенок получается за счет применения в одном кристалле трех светодиодов красного, зеленого и синего цветов. Меняется интенсивность каждого из них, и получается нужное свечение.

Применение примесей и различных полупроводников. Подбираются материалы с нужной шириной запрещенной зоны, и из них делается кристалл светодиода.

Принцип работы светодиодов

Любой светодиод имеет p-n-переход. Свечение возникает при рекомбинации электронов и дырок в электронно-дырочном переходе. P-n переход создается при соединении двух полупроводников разного типа электропроводности. Материал n-типа легируется электронами, p-типа – дырками.

При подаче напряжения электроны и дырки в p-n-переходе начинают перемещаться и занимать места. Когда носители заряда подходят к электронно-дырочному переходу, электроны помещаются в материал p-типа. В результате перехода электронов с одного энергетического уровня на другой выделяются фотоны.

Не всякий p-n переход может излучать свет. Для пропускания света нужно соблюсти два условия:

ширина запрещенной зоны должна быть близка к энергии кванта света;

полупроводниковый кристалл должен иметь минимум дефектов.

Реализовать подобное в структуре с одним p-n-переходом не получится. По этой причине создаются многослойные структуры из нескольких полупроводников, которые называются гетероструктурами.

Для создания светодиодов используются прямозонные проводники с разрешенным прямым оптическим переходом зона-зона. Наиболее распространенные материалы группы А3В5 (арсенид галлия, фосфид индия), А2В4 (теллурид кадмия, селенид цинка).

Цвет светоизлучающего диода зависит от ширины запрещенной зоны, в которой происходит рекомбинация электронов и дырок. Чем больше ширина запрещенной зоны и выше энергия квантов, тем ближе к синему излучаемый свет. Путем изменения состава можно добиться свечения в широком оптическом диапазоне – от ультрафиолета до среднего инфракрасного излучения.

Светодиоды инфракрасного, красного и желтого цветов изготавливаются на основе фосфида галлия, зеленый, синий и фиолетовый – на основе нитридов галлия.

Виды светодиодов, классификация

По предназначению выделяют индикаторные и осветительные светодиоды. Первые используются для стилизации, декоративной подсветки – например, украшение зданий, рекламные баннеры, гирлянды. Осветительные приборы используются для создания яркого освещения в помещении.

По типу исполнения выделяют:

В отдельную группу выделяются светодиоды, излучающие в ультрафиолетовом и инфракрасном диапазонах. Они могут быть с выводами, так и в виде smd исполнения. Используются в пультах дистанционного управления, бактерицидных и кварцевых лампах, стерилизаторах для аквариумов.

Светодиоды могут быть:

мигающими – используются для привлечения внимания;
многоцветными мигающими;
трехцветными – в одном корпусе есть несколько несвязанных между собой кристаллов, которые работают как по отдельности, так и все вместе;
RGB;
монохромными.

Светодиоды классифицируются по цветовой гамме. Для максимально точной идентификации цвета в документации прибора указывается его длина волны излучения.

Белые светодиоды классифицируются по цветовой температуре. Они бывают теплых оттенков (2700 К), нейтральных (4200 К) и холодных (6000 К).

По мощности выделяют светодиоды, потребляющие единицы мВт до десятков Вт. Напрямую от мощности зависит сила света.

Полярность светодиодов

При неправильном включении светодиод может сломаться. Поэтому важно уметь определять полярность источника света. Полярность – это способность пропускать электрический ток в одном направлении.

Полярность моно определить несколькими способами:

Визуально. Это самый простой способ. Для нахождения плюса и минуса у цилиндрического диода со стеклянной колбой нужно посмотреть внутрь. Площадь катода будет больше, чем площадь анода. Если посмотреть внутрь не получится, полярность определяется по контактам – длинная ножка соответствует положительному электроду. Светодиоды типа SMD имеют метки, указывающие на полярность. Они называются скосом или ключом, который направлен на отрицательный электрод. На маленькие smd наносятся пиктограммы в виде треугольника, буквы Т или П. Угол или выступ указывают на направление тока – значит, этот вывод является минусом. Также некоторые светодиоды могут иметь метку, которая указывает на полярность. Это может быть точка, кольцевая полоска.
При помощи подключения питания. Путем подачи малого напряжения можно проверить полярность светодиода. Для этого нужен источник тока (батарейка, аккумулятор), к контактом которого прикладывается светодиод, и токоограничивающий резистор, через который происходит подключение. Напряжение нужно повышать, и светодиод должен загореться при правильном включении.

При помощи тестеров. Мультиметр позволяет проверить полярность тремя способами. Первый – в положении проверка сопротивления. Когда красный щуп касается анода, а черный катода, на дисплее должно загореться число , отличное от 1. В ином случае на экране будет светиться цифра 1. Второй способ – в положении прозвонка. Когда красный щуп коснется анода, светодиод загорится. В ином случае он не отреагирует. Третий способ – путем установки светодиода в гнездо для транзистора. Если в отверстие С (коллектор) будет помещен катод – светодиод загорится.
По технической документации. Каждый светодиод имеет свою маркировку, по которой можно найти информацию о компоненте. Там же будет указана полярность электродов.

Выбор способа определения полярности зависит от ситуации и наличия у пользователя нужного инструмента.

Расчет сопротивления для светодиода

Диод имеет малое внутреннее сопротивление. При подключении его напрямую к блоку питания, элемент перегорит. Чтобы этого не случилось, светодиод подключается к цепи через токоограничивающий резистор. Расчет производится по закону Ома: R=(U-Uled)/I, где R – сопротивление токоограничивающего резистора, U – питание источника; Uled – паспортное значение напряжения для светодиода, I – сила тока. По полученному значению и подбирается мощность резистора.

Важно правильно рассчитать напряжение. Оно зависит от схемы подключения элементов.

Можно не производить расчет сопротивления, если использовать в цепи мощный переменный или подстроечный резистор. Токоограничивающие резисторы существуют разного класса точности. Есть изделия на 10%, 5% и 1 % – это значит, что погрешность варьируется в указанном диапазоне.

Выбирая токоограничивающий резистор, нужно обратить внимание и на его мощность. почти всегда, если при малом рассеивании тепла устройство будет перегреваться и выйдет из строя. Это приведет к разрыву электрической цепи.

Когда нужно использовать токоограничивающий резистор:

когда вопрос эффективности схемы не является основным – например, индикация;

лабораторные исследования.

В остальных случаях лучше подключать светодиоды через стабилизатор – драйвер, что особенно это актуально в светодиодных лампах.

С помощью подручных недорогих материалов вы сможете создать таинственный мерцающий кристалл. Такое устройство идеально подойдет в качестве декора комнаты. Для выполнения проекта необходимо владеть основами электротехники.

Шаг 1: Необходимое

Шаг 2: Схема

На рисунках приведена общая концепция проекта (рис. 1) и электрическая схема (рис 2.).

Шаг 3: Приготовления

Отрезаем приблизительно ⅔ части анода (длинная ножка) светодиода и ⅔ любой ножки резистора.

Припаиваем анод к короткой ножке резистора, ориентируясь на рис. 2.

Оголяем провод (или используем провод без изоляции). Отрезаем ⅔ части катода (длинная ножка) светодиода и припаиваем ее к проводу, как показано на рис. 3.

Обрезаем провод по длине соединения анода и резистора (см. рис. 4).

Шаг 4: Изоляция

Отрезаем термоусадочные трубки по размерам катода и анода с небольшим запасом для места соединения с USB-кабелем.

Пометьте маркером ножку с резистором.

Устанавливаем трубки и используем тепловую пушку или другой источник тепла. Трубки должны обжать анод и катод под воздействием тепловой энергии.

Вместо термоусодочных трубок можно использовать изоленту.

Шаг 5: Кабель

Отрезаем лишний коннектор у USB-кабеля (нам нужен лишь 1), ориентируясь на рис. 1.

С помощью ножа X-Acto избавляемся от внешней изоляции и добираемся до экранированной части кабеля (см. рис. 2).

Ножом или ножницами снимаем экранирование.

Вы должны увидеть 4 разноцветных проводка. Черный и красный – это кабели для питания. Остальные 2 нам не потребуются – мы их просто оставим на месте.

Зачищаем черный и красный проводки, как показано на рис. 3.

На рис. 5 и 6 показан процесс изоляции этих проводков с помощью термоусадочных трубок. Повторяем.

Припаиваем совмещенную ножку светодиода и резистора к красному проводу USB-кабеля. Другую ножку – к черному.

Завершаем изоляцию термоусадочными трубками, как показано на рис. 6 и 7.

Убедитесь, что светодиод будет светиться разными оттенками, подключив кабель питания.

Шаг 7: Основа

Сделайте отверстие в пробке диаметром 0,64 см.

Проведите кабель через отверстие, чтобы удостовериться в отсутствии каких-либо преград в пробке.

С помощью термоклея прикрепите гайку к нижней части пробки.

Шаг 8: Сборка

Сделайте небольшую выемку на фитинге (см. рис. 1) для проведения USB-кабеля.

Вставляем пробку с гайкой в фитинг, как показано на фото.

Подключаем кабель и проверяем светодиод.

Шаг 9: Кристалл

Устанавливаем кристалл сверху на фитинг.

Мерцание будет таким же, как в этих видеороликах.

Шаг 10: Светильник

Можно усовершенствовать изделие при помощи пластиковой трубки для одиночных роз, превратив его в лампу.

Современное производство светодиодов связано с рядом значительных трудностей и проблем. В частности, изготовление светодиодов является достаточно новой и динамично развивающейся отраслью, в которой пока не сформированы определенные правила и нормативы. Любой крупный производитель вынужден ориентироваться на собственные критерии отбора светодиодной продукции, поскольку международных стандартов в этом отношении пока не создано. Нужно сказать, что работа в этом направлении ведется, но специалисты считают, что разработка единых требований к светодиодной светотехнике потребует не одного года. Технология производства светодиодов очень сложна, и это одна из основных причин, затрудняющих создание общих нормативов. Рассмотрим поэтапно, как создаются современные светодиоды.

Первый этап – выращивание кристалла, которое построено на процессе, называемом металлоорганическая эпитаксия. Так называется ориентированное выращивание кристалла на поверхности подложки (другого кристалла). Для выращивания полупроводников используется термическое разложение металлоорганических соединений, которые содержат в себе все нужные химические элементы. Подобный процесс требует особо чистых газов. В процессе выращивания кристаллов необходимо тщательно контролировать толщину слоя и однородность структуры. Современная установка для эпитаксиального роста полупроводников может стоить до 1,5 млн. евро. При этом процесс отладки оборудования для создания высококачественных компонентов для производства светодиодов может занимать не один год.

Второй этап – создание чипа. При этом пленка, которая была выращена на подложке, разделяется на большое количество чипов (несколько тысяч). Этот процесс называется “планарная обработка пленок”.

Третий этап производства светодиодов – биннирование, то есть сортировка чипов. При этом соблюдаются определенные критерии отбора. Сложность в том, что на каждой из описанных стадий производства практически невозможно добиться точного сходства компонентов по некоторым характеристикам. Поэтому сортировка чипов выполняется по группам, в которых определенные параметры находятся в допустимых пределах. Например, максимальная длина волны излучения, световой поток, напряжение и т.д. Поскольку биннирование является частью производства, то оно находит отражение и в наименовании будущей продукции.

Последний этап – создание самого светодиода. Разрабатывается корпус будущего светильника, подбирается люминофор (при необходимости), монтируются выводы питания. Особого внимания заслуживает изготовление линз, применяемых при создании светодиодных источников света. Они выполняются из пластика, силикона или эпоксидной смолы. Оптическая система призвана создавать точный телесный угол освещения, поэтому к линзам предъявляются высокие требования, такие как: максимальная прозрачность, высокий срок службы, устойчивость к перепадам температур, стойкость к химическому воздействию люминофора, хорошая пропускная способность к световому излучению во всем оптическом диапазоне и т.д. После полной комплектации, светодиодный прибор готов к использованию.

На основе светодиодов сегодня создаются самые разнообразные источники света: прожекторы, лампы, линейные светильники, светодиодные линейки, светосигнальные приборы и многие другие. Высокие эксплуатационные и светотехнические характеристики светодиодов сделали их производство самой динамично развивающейся отраслью светотехники. А сами светодиодные приборы признаны наиболее перспективными источниками света.

В данной информационной статье мы постараемся в полной мере описать принцип работы светодиодов всех разновидностей, имеющихся в природе на сегодняшний день. Рассмотрим общее устройство LED и разберемся как получаются светоизлучающие диоды разных цветов.

Принцип работы

Принцип действия разобрали, однако благодаря чему происходит этот процесс? Для этого необходимо рассмотреть конструктивную особенность светодиода.

Как устроен светодиод

В независимости от модели светодиода (СОВ, OLED, SMD и т.д.) они состоят из следующих элементов:

Теперь ознакомимся со способами получения различных цветов.

Получение светодиода определенного цвета

Покрытие люминофором

Данная технология позволяет получить практически любой цвет, однако зачастую используется для получения белых светодиодов. Для нее применяют специальный реагент – люминофор, которым покрывают красный или синий светодиод. После обработки синий светоизлучающий диод начинает светить белым.

RGB — технология

Подобный тип устройств способен излучать любой оттенок светового спектра за счет применения в одном кристалле 3-х светодиодов: красного, зеленого и синего. В зависимости от интенсивности свечения каждого из них, меняется излучаемый свет.

Применение различных примесей и различных полупроводников

Теперь давайте разберем следующий вопрос: какими электрическими характеристиками обладают данные устройства и что нужно для их надежной работы.

Электрические характеристики

Светодиоды – это устройства, излучающие световой поток при прохождении через них стабилизированного постоянного напряжения низкого номинала (3-5В). За счет создания разности потенциалов на аноде и катоде в кристалле возникает электрический ток, создающий световой поток.

Для полноценной работы LED, величина тока должна быть на уровне 20-25 мА. Однако для мощных светодиодов, ток потребления может достигать 1400 мА.

При увеличении напряжения источника питания, сила тока увеличивается по экспоненте. Это означает что при незначительном скачке напряжения питания сила тока увеличивается многократно, что может привести к повышению температуры и выходу из строя светоизлучающего диода(читайте, как проверить светодиод). Именно по этой причине источник постоянного напряжения необходимо стабилизировать с помощью специальных микросхем.

Теперь рассмотрим основные разновидности LED, их достоинства и недостатки.

Устройство светодиода индикаторного типа (DIP)

Они состоят из 3-х или 5-и миллиметрового корпуса, анода, катода, кристалла, золотого (в бюджетных вариантах медного) проводника, соединяющего анод с кристаллом и рассеивателя.

На практике применяются очень редко, т.к. имеют ряд недостатков:

большой размер;
малый угол свечения (до 120 0 );
низкое качество кристалла (при длительной работе яркость излучения падает до 70%);
слабый световой поток за счет малой пропускной способности кристалла (до 20мА).

Как устроен мощный светодиод

Мощные светоизлучающие диоды (например, фирмы cree) предназначены для создания интенсивного светового потока за счет прохождения через кристалл большого тока (до 1400 мА).

На кристалле выделяется большое количество тепла, которое с помощью алюминиевого радиатора отводится от кристалла полупроводника. Также этот радиатор служит в качестве отражателя для увеличения светового потока.

Для надежной работы мощных LED необходимо наличие в схеме специального драйвера рассчитанного на прохождение большого потока электронов, который помимо стабилизации напряжения должен ограничивать ток, соответствующий номинальной работе устройства.

Устройство филаментного светодиода

Светодиоды типа filament были изобретены еще в начале 2008 года. Однако пик их популярности приходится на 2014-2016 года. Они стали популярными у дизайнеров, поскольку напоминали обычные лампы накаливания и потребляли минимальное количество электроэнергии. Рекомендуем почитать интересную статью про филаментные светодиодные лампы.

Конструкция

Филаментные LED – это устройства, состоящие из сапфирового или обычного стекла диаметр, которого не превышает 1,5мм и специально выращенных кристаллов полупроводников (28 штук) соединённых последовательно на изолированной подложке.

Эти светодиоды помещаются в специальную колбу, покрываемую люминофором, за счет чего можно получить любой цвет. Основное достоинство LED устройств, разработанных по данной технологии – это угол свечения, достигающий 360 0 .

Филаментные светоизлучающие диоды некоторые источники относят к классу COB (смотрите раздел ниже), поскольку кристаллы выращиваются на стекле или сапфире по аналогичной технологии.

Устройство и принцип работы светодиода COB

Технология СОВ или же Chip-On-Board – это одна из современных разработок в сфере электроники, заключающаяся в помещении большого количества кристаллов полупроводника с помощью диэлектрического клея на алюминиевую подложку. Также изготовление светодиодов подобного типа возможно на стеклянной матрице (COG) однако принцип работы у них одинаков.

Полученная матрица покрывается люминофором. В результате удается достичь равномерного свечение COB светодиода любого оттенка по всей площади. Данные устройства широко применяются в разработке телевизоров, ноутбуков и планшетов.

Принцип работы

Отличительной особенностью данного типа устройств является наличие большого количество кристаллов, что позволяет получить более интенсивный световой поток.

Устройство и принцип работы органического светодиода OLED

Самое новое достижение в сфере производства – это технология OLED. Она позволяет производить высокотехнологические телевизоры с тонким дисплеем, миниатюрные смартфоны, планшеты и еще многие другие приборы, без которых не обойтись в современном обществе.

Устройство OLED

Светоизлучающий диод OLED состоит из:

анода, изготовленного из смеси оксида индия с оловом;
подложки из фольги, стекла или же пластика;
алюминиевого или кальциевого катода;
излучающей прослойки на основе полимера;
токопроводящего слоя из органических веществ.

Как работает данная технология?

Достоинства

минимальные размеры;
низкое энергопотребление;
равномерное свечение по всей площади;
длительный срок эксплуатации;
увеличенный срок службы;
широкий угол свечения (до 270 0 );
низкая себестоимость.

Мы рассмотрели основные типы светоизлучающих диодов, которые применяются в современном мире, однако на ряду с ними, корейские ученые пошли дальше и разработали LED на основе волокон, которые по их обещаниям вытеснят все устаревшие типы устройств. Давайте рассмотрим, что они собой представляют.

Устройство и принцип работы светодиода на основе волокон

Для производства светодиодов данной ниши применяют нити терефталата полиэтилена обработанные раствором PEDOT:PSS polystyrene sulfonate. После обработки нить будущего светодиода просушивают при температуре 130 0 С.

После, заготовку обрабатывают по технологии OLED специальным полимером poly-(p-phenylenevinylene) polymer и полученные волокна покрывают тонким слоем суспензии литий-алюминиевого фторида.

Выводы

Мы рассмотрели основные типы светодиодов, которых как Вы можете видеть существует огромное количество. Однако по принципу работы они все одинаковы.

Также можно сказать, что благодаря применению современных материалов и технологий производства можно добиться высоких технических показателей и более надежной и длительной работы светодиодов.

Для наглядности рекомендуем просмотреть видео, в котором Вы подробно ознакомитесь с конструкцией LED:

Выключатели света, виды освещения

Для большей части этих светодиодов так и не нашлось применения, поскольку у них очень малая яркость даже при слабом вечернем освещении. Поэтому было решено модернизировать такие светодиоды, заменив их несовершенные кристаллы.

Для замены были использованы SMD-светодиоды (для поверхностного монтажа) белого свечения размерами 5x3x0,8 мм, рассчитанные на рабочий ток до 100 мА.

Старый светодиод через толстые бумажные прокладки нужно зажать в тисках, после чего в плоскости расположения его выводов сверлят сквозное отверстие диаметром 1,5 мм.

После этого отверстие поочерёдно рассверливают свёрлами большего диаметра, с таким расчётом, чтобы повредить и удалить находящийся в корпусе “родной” кристалл, а в полученное отверстие можно было вставить имеющийся SMD-светодиод (рис. 1).

Предварительно к контактным площадкам SMD-светодиода припаивают выводы из тонкого гибкого провода, которые затем припаивают к оставшимся выводам старого светодиода. SMD-светодиод помещают в просверленное отверстие таким образом, чтобы светоизлучающий кристалл был обращен в сторону выпуклой линзы.

Доработанный светодиод имеет такую же яркость свечения при токе 0,3 мА как и недоработанный при токе 20 мА. На рис. 2 показан доработанный светодиод. На его доработку затрачено около 15 мин. При напряжении 2,6 В через него протекает ток около 1 мА. Поскольку SMD-светодиод будет работать без дополнительного охлаждения, максимальный ток через него не должен превышать 20 мА.

Кроме того, работа такого доработанного цветного светодиода при токе более 10 мА нецелесообразна, поскольку свечение его корпуса будет уже не цветным, а ярко-белым.

Поэтому желательно, чтобы цвет корпуса и цвет свечения SMD-светодиода были бы одинаковыми. Если залить отверстие с помещённым светодиодом прозрачным клеем, например, двухкомпонентным эпоксидным или цианакрилатным, светоотдача доработанного светодиода возрастёт.

Для доработки подойдут SMD-светодиоды средней мощности от модулей подсветки ЖК-матриц телевизоров и мониторов, светодиодных осветительных ламп и прожекторов. Таким способом можно модернизировать или отремонтировать вышедшие из строя любые другие светодиоды в пластмассовом корпусе с диаметром линзы более 7 мм.

Такой вариант доработки может быть актуальным, если расходы на модернизацию корпусных светодиодов дешевле приобретения новых или нет возможности приобрести готовые светодиоды с нужными параметрами.

Читайте также: