Светоизлучающие диоды, обычно называемые светодиодами, являются настоящими невоспетыми 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 главное преимущество заключается вэффективности В лампах накаливания в процессе производства света выделяется много тепла (нить накала должна быть нагревается, чтобы светить). 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 производство света, что значительно снижает потребность в электроэнергии.
На ватт светодиоды излучают больше люменов (или количества видимого света), чем обычные лампы накаливания. Светодиоды имеют более высокуюсветовую отдачу (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 такая же мощность от светодиодной лампы, потребляющей всего 6-8 Вт. И та же самая светодиодная лампа может работать 25 000 часов, но 60-ваттная лампа накаливания, вероятно, будет гореть только около 1 200 часов. Другими словами, одна светодиодная лампа может работать столько же, сколько 21 60-ваттная лампа накаливания, горящая последовательно.
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 мигалок, освещая при этом некоторые интересные принципы электричества и света.
Что такое диод?
Диод - простейшее полупроводниковое устройство. Вообще говоря,полупроводник- это материал с различной способностью проводить электрический ток. Большинство полупроводников состоят из плохого проводника, в который добавлены примеси (атомы другого материала). Процесс добавления примесей называетсядопинг
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 называетсяматериалом N-типа, так как он содержит дополнительные отрицательно заряженные частицы. В материале N-типа свободные электроны перемещаются из отрицательно заряженной области в положительно заряженную область.
Полупроводник с дополнительными дырками называетсяматериалом P-типа, так как он эффективно содержит дополнительные положительно заряженные частицы. Электроны могут перескакивать с дырки на дырку, перемещаясь из отрицательно заряженной области в положительно заряженную. В результате кажется, что сами дыры 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. Взоне истощения полупроводниковый материал возвращается в исходное изоляционное состояние - все дырки заполнены, поэтому нет свободных электронов или пустых мест для электронов, и электричество не может поток.
Чтобы избавиться от зоны истощения, вам нужно 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, а заряд движется по диоду.
Если вы попытаетесь запустить ток в другом направлении, 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!
Как диод может излучать свет?
Свет - это форма энергии, которая может быть высвобождена атомом. Он состоит из множества маленьких пакетов, похожих на частицы, которые обладают энергией и импульсом, но не имеют массы. Эти частицы, называемыефотоны, являются основными единицами света.
Фотоны высвобождаются в результате движения электронов. В атоме электроны движутся по орбиталям вокруг ядра. Электроны на разных орбиталях имеют разное количество энергии. Вообще говоря, электроны с большей энергией движутся по орбиталям дальше от ядра.
Чтобы электрон перепрыгнул с более низкой орбиты на более высокую орбиту, что-то должно повысить его энергетический уровень. И наоборот, электрон высвобождает энергию, когда он падает с более высокой орбитали на более низкую. Эта энергия высвобождается в виде фотона. Больший перепад энергии высвобождает фотон с более высокой энергией, который характеризуется более высокой частотой.
Как мы видели ранее, свободные электроны, движущиеся поперек диода, могут попасть в пустые дырки из слоя P-типа. Это включает в себя переход из зоны проводимости на более низкую орбиталь, поэтому электроны выделяют энергию в виде фотонов. Это происходит в любом диоде, но фотоны можно увидеть только тогда, когда диод состоит из определенного материала. Атомы в стандартном кремниевом диоде, например, расположены таким образом, что электрон падает на относительно короткое расстояние. В результате частота фотона настолько низка, что он невидим для человеческого глаза - он находится в инфракрасной части светового спектра. Конечно, это не обязательно плохо: инфракрасные светодиоды идеально подходят для дистанционного управления, среди прочего.
Светоизлучающие диоды видимого диапазона (VLED), такие как те, которые подсвечивают числа в цифровых часах, сделаны из материалов, характеризующихся более широким зазором между зоной проводимости и нижними орбиталями. Размер зазора определяет частоту фотона - другими словами, он определяет цвет света. В то время как светодиоды используются во всем, от пультов дистанционного управления до цифровых дисплеев в электронике, видимые светодиоды популярны благодаря их длительному сроку службы и миниатюрным размерам. В зависимости от материалов, используемых в светодиодах, они могут светиться в инфракрасном, ультрафиолетовом и всех цветах видимого спектра между ними.
Хотя все диоды излучают свет, большинство из них не очень эффективно. В обычном диоде сам полупроводниковый материал поглощает большую часть световой энергии. Светодиоды специально сконструированы для испускания большого количества фотонов наружу. Кроме того, они размещены в пластиковой колбе, которая концентрирует свет в определенном направлении. Большая часть света от диода отражается от стенок лампочки, проходя через закругленный конец.
Светодиодные лампочки в сравнении с КЛЛ и лампами накаливания
На протяжении десятилетий 100-ваттные лампы накаливания освещали коридоры и спальни; 60-ваттные лампы накаливания излучают более мягкий свет от ламп для чтения и шкафов. Но лампы накаливания неэффективны, тратят много энергии в виде тепла и имеют более короткий срок службы, чем люминесцентные лампы. В последнее время популярными альтернативами стали более эффективные компактные люминесцентные лампы (КЛЛ). Если лампы накаливания служат в среднем около 1 200 часов, то КЛЛ могут прослужить 10 000 часов. К сожалению, компактные люминесцентные лампы содержат токсичную ртуть, что делает их потенциально опасными и утилизировать их очень сложно.
Введите светодиодную лампочку. Светодиоды предлагают преимущества компактных люминесцентных ламп - более низкое энергопотребление и более длительный срок службы - без недостатка токсичной ртути. Например, 60-ваттная лампа накаливания потребляет электроэнергии на сумму более 150 долларов в год и обеспечивает около 800 люменов света; эквивалентная компактная люминесцентная лампа потребляет менее 15 Вт и стоит всего около 35 долларов США за электроэнергию в год. Светодиодные лампы еще лучше, они потребляют около 8,5 Вт мощности, стоят около 21 доллара в год и служат 25 000 часов или дольше. В году всего 8 760 часов - представьте, как долго проработает светодиодная лампочка в среднем доме!
Это заставляет светодиоды звучать довольно хорошо - и это так - но есть причины, по которым лампы накаливания и компактные люминесцентные лампы все еще существуют. Самая большая причина - цена; Светодиодные лампы стоят дороже, чем другие варианты, хотя в последние годы цены на светодиодные лампы снизились. Однако их более длительный срок службы и значительно более низкое энергопотребление помогают компенсировать более высокий входной барьер.
В дополнение к высокой стоимости светодиоды уязвимы к высоким температурам. Если схема светодиода становится слишком горячей, больший ток будет проходить черезпереход, упомянутый ранее в этой статье. Когда соединение становится слишком горячим, это приводит к перегоранию лампочки. И хотя светодиоды не содержат ртути (в отличие от ламп КЛЛ), они могут содержать другие опасные элементы, такие как свинец или мышьяк. Кроме того, одно исследование показало, что световое загрязнение увеличивается при использовании светодиодных ламп.
Некоторые люди также предпочитают внешний вид ламп накаливания, чувствуя, что они теплее, чем желтоватые лампы компактных люминесцентных ламп и синеватая яркость светодиодов. Разница в типах освещения может потребовать некоторой корректировки, но светодиоды также доступны в различных оттенках. Светодиоды диммируются (в отличие от компактных люминесцентных ламп) и идеально подходят для стимулирования роста растений, поскольку они эффективно поглощают тонны света, не выделяя тепла, которое потенциально может нанести вред жизни растений.
В то время как КЛЛ и лампы накаливания ограничены цветом корпуса, некоторые светодиодные лампы можно изменить, чтобы они излучали миллионы цветов. Эти лампы, как правило, дороже, чем их белые светодиодные аналоги, но их можно запрограммировать на изменение цвета в зависимости от времени суток, что дает людям больше контроля над окружающей средой.
LED-телевизоры и будущее светодиодов
Светодиоды прошли долгий путь с первых дней освещения циферблатов цифровых часов. В 2000-х годах ЖК-телевизоры захватили рынок высокой четкости и стали огромным шагом вперед по сравнению со старыми ЭЛТ-телевизорами стандартной четкости. ЖК-дисплеи были даже большим шагом вперед по сравнению с телевизорами с обратной проекцией HD, которые весили более 100 фунтов (45,4 кг). Но светодиодная технология изменила рынок. Хотя ЖК-телевизоры были намного тоньше и легче, чем массивные телевизоры с обратной проекцией, в них по-прежнему использовались люминесцентные лампы с холодным катодом, чтобы проецировать белый свет на пиксели, из которых состоит экран. Это увеличивает вес и толщину телевизора. Светодиоды решили обе проблемы.
Вы когда-нибудь видели гигантский телевизор с плоским экраном толщиной всего в дюйм? Вероятно, это был светодиодный телевизор. Вот где аббревиатуры немного сбивают с толку: эти светодиодные телевизоры по-прежнему являются ЖК-телевизорами, потому что сами экраны состоят из жидких кристаллов. Технически этоЖК-телевизоры со светодиодной подсветкой. Вместо люминесцентных ламп светодиоды излучают свет из-за экрана, освещая пиксели для создания изображения. Из-за небольшого размера и низкого энергопотребления светодиодов телевизоры со светодиодной подсветкой намного тоньше, чем обычные ЖК-телевизоры, а также более энергоэффективны. Они также могут обеспечивать более широкую цветовую гамму, создавая более яркие изображения.
На рынке представлено несколько различных типов телевизоров со светодиодной подсветкой, и не все они одинаковы. Во многих телевизорах используется белаясветодиодная боковая подсветкадля освещения дисплея. Единственным реальным преимуществом этих наборов является их тонкость. Наборы со светодиодной подсветкой RGB, с другой стороны, обеспечивают улучшенный цвет. В некоторых конфигурациях даже предусмотрен метод под названиемлокальное затемнение, при котором светодиоды в разных частях дисплея могут независимо увеличивать или уменьшать яркость для создания более динамичного изображения. И это подчеркивает еще одно большое преимущество светодиодов перед КЛЛ: поскольку светодиоды можно мгновенно включать и выключать, они обеспечивают потрясающие уровни черного в темных сценах. Поскольку белые люминесцентные лампы должны оставаться включенными во время использования телевизора, часть света имеет тенденцию просачиваться и осветлять изображение в темных сценах.
Некоторые из новейших светодиодных дисплеев изготовлены из органических светодиодов илиOLEDОрганические материалы, используемые для создания этих полупроводников, являются гибкими, что позволяет ученым создавать гибкие источники света и дисплеи - некоторые производители уже начали производить смартфоны и другие устройства, в которых используются OLED-экраны меньшего размера. Поскольку технология позволяет создавать более качественные и крупные дисплеи, вы можете начать видеть их в местах, где раньше никогда не могли найти экран. OLED также позволяют полностью отключать отдельные пиксели, позволяя зрителям видеть настоящий черный цвет.
Часто задаваемые вопросы по светодиодам
Что означает светодиод?
LED означает светоизлучающий диод.
Для чего используются светодиоды?
Они выполняют много разных работ на всевозможных электронных устройствах. Они формируют числа на цифровых часах, передают информацию с пультов дистанционного управления, создают изображения на большом телевизионном экране и освещают светофор. Список можно продолжить.
Как долго светят светодиоды?
Светодиодная лампа может работать до 25 000 часов или почти три года постоянного использования.
Можно ли использовать светодиодные лампы в любой розетке?
Если цоколь одинакового размера и типа, вы можете использовать светодиодную лампу в существующем светильнике. Просто убедитесь, что вы используете лампочку той же мощности, что и рекомендуемая для светильника.
Стоит ли покупать светодиодные лампы?
Светодиодные лампы более эффективны, потребляют меньше энергии и имеют длительный срок службы. Их покупка немного дороже, однако, если учесть, что они потребляют около 8,5 Вт энергии и стоят около 21 доллара в год по сравнению с 60-ваттной лампой накаливания, которая потребляет более 150 долларов в год, они стоят своих первоначальных затрат.