Главная | Обратная связь

Преимущества светодиодов

Правда о светодиодах

До недавнего времени существовавшие как обычные индикаторы, сегодня светодиоды (LED) играют основные роли в устройствах подсветки, буквенно-цифровых индикаторах, декоративной иллюминации, табло "бегущая строка" и т.п. Возможность использования светодиодов как жизнеспособной замены традиционных ламп накаливания обусловлена появлением новых технологий, материалов, форм, а так же новых цветов излучений. Эти факторы, вместе с растущей осведомленностью пользователей о светодиодах (таких показателях как ресурс работы измеряемый в годах, а не часах; яркость и насыщенность цветов; высокая экономичность) должны подтолкнуть инженеров, дизайнеров и снабженческие организации увидеть светодиоды в новом свете.

Преимущества светодиодов

Для многих применений светодиоды намного предпочтительнее ламп накаливания. Но почему тогда во многих десятках миллионов переключателей, индикаторов, вывесок, сигнализаторов, табло и т.п. инженеры и дизайнеры продолжают использовать лампы накаливания? Вероятно это связано с тем что они до сих пор не знают о той революции, что произошла в светодиодной технике несколько лет назад… Несмотря на то, что наиболее продвинутые инженеры придумали довольно много применений для этого маленького, износоустойчивого источника света всего несколько лет назад только красное свечение светодиода было доступно для применения при ярком дневном свете. И не только это ограничивало их.

В отличие от ламп накаливания, излучающий световой поток широкого спектра равномерно во всех направлениях светодиоды излучают свет определенной длины волны и в определенном направлении.

Основные достижения в светодиодной технологии связаны с появлением новых материалах повышающих яркость светодиодов более чем в 20 раз по сравнению с первыми поколениями светодиодов и позволяющим создавать излучатели яркого света любого цвета. В дополнении к красному, оранжевому, желтому, и желто-зеленому сегодня доступны любые цвета высокой интенсивности от синего до темно-зеленого. Даже белый цвет, считающийся долгое время невозможным в принципе, сегодня доступен трех различных оттенках.

Эффективность светодиодов наиболее хорошо проявляется там где требуется цвет. Свет от лампы накаливания приходится пропускать через специальные фильтры, выделяющие определенную часть спектра (красную, синею, зеленую). В то время как все 100% света излучаемого светодиодом является окрашенным светом, лампа накаливания теряет около 90% излученного света при прохождении цветного фильтра. Более того от 80-90% потребляемой мощности лампы накаливания тратится на нагрев лампы для достижения нужной цветовой температуры (шкала Кельвина) для которой они спроектированы.

Используя светодиоды можно получить свет высокой цветовой насыщенности. Увидеть разницу в цветовой насыщенности между светодиодами и лампами накаливания можно наблюдая габаритные огни и стоп-сигналы современных автомобилей. Многие современные производители используют светодиоды как дополнительный стоп-сигнал. Вы наверняка замечали их в автомобильном потоке и видели разницу между чистым красным светодиодным светом и фильтрованным светом ламп накаливания.

Светодиодные лампы потребляют примерно 40-60% мощности необходимый обычным лампам накаливания аналогичной яркости. Ударопрочная конструкция твердотельных излучателей (светодиодов) позволяет использовать светодиодные лампы при повышенных вибрациях, частых включениях и выключениях (бросках тока) без заметного влияния на срок службы светодиодной лампы - более 100000 часов (более 11 лет).

 

 

К основным видам фотоприемников относят: фоторезистор, фотодиод, фототранзистор и фототиристор.

Фотоприемники – это полупроводниковые приборы, которые управляются оптическим излучением. Принцип действия фотоприемников основан на двух эффектах:

1. фотогальванический эффект;

2. эффект фотопроводимости.

 

Фотогальванический эффект возникает в полупроводниках имеющих потенциальный барьер (p-n переход). Принцип эффекта состоит в следующем: при освещении фотоприемника поглощенные фотоны возбуждают атомы полупроводника и генерируют пары электрон-дырка. Которые диффундируют к p-n переходу и разделяются его электрическим полем в зависимости от знака заряда: электроны переходят в n-область, а дырки в p-область. В результате области заряжаются отрицательно и положительно соответственно. Это приводит к уменьшению контактной разности потенциалов и появлению на контактах p и n – областей фото-ЭДС. Величина фото-ЭДС зависит от интенсивности светового потока и составляет десятые доли вольта.

На основе фотогальванического эффекта работают фотодиод, фототранзистор, фототиристор и другие фотоприемники с p-n переходами.

Важнейшие характеристики: спектральная (зависимость относительной можности излучения от длины волны при определенной температуре среды) и диаграмма направленности (определяет величину интенсивности светового излучения от направления излучения).

 

Эффект фотопроводимости (в отличии от фотогальванического) состоит только в создании фотоносителей, т.е. поглотив фототок, электрон получает дополнительную энергию и переходит на другой энергетический уровень более высокий, т.к. свободные уровни в полупроводнике есть только в зоне проводимости, то поглощаться будут фотоны с энергией большей ширины запрещенной зоны. На этом эффекте работают фоторезисторы.

 

 

1 - светочувствительный полупроводник; 2 - подложка; 3 – токоведущие электроды

Рисунок 3.3 – Схема устройства фоторезистора

 

При включении фоторезистора в цепь и отсутствии света, через фоторезистор будет протекать темновой ток:

 

I_Т=E/(R_T+R_Н),

где E – ЭДС источника питания;

R_T – сопротивление фоторезистора в темноте;

R_Н – сопротивление нагрузки.

 

При освещении фоторезистора проводимость возрастает и протекает световой ток:

 

I_Т=E/(R_C+R_Н),

где R_C – сопротивление фоторезистора при действии света;

и фототок: I_Ф = I_C + I_Т

Рис. 3.4 – Фоторезистор в электрической цепи

 

Основными параметрами, кроме I_Ф, для фоторезистора являются:

1. Рабочее напряжение – U_РАБ.;

2. Максимальное напряжение - U_MAX ;

3. Допустимая рассеиваемая мощность;

4. Удельная чувствительность: K_O=I_Ф/(Ф∙U),

где Ф – световой поток, лм (люмен);

5. Интегральная чувствительность: S_ИНТ = K_O∙U_MAX ;

6. Постоянная времени – τ_Ф – время, в течении которого фототок изменяется в e раз (e≈ 2,7182), т.е. на 63%.

 

Характеристики фоторезистора:

1. вольт-амперная характеристика (Рис. 3.5а) имеет линейный характер; линейность нарушается только при больших напряжениях на фоторезисторе;

2. энергетическая характеристика, т.е. зависимость фототока от светового потока (Рис. 3.5б).

3. спектральная характеристика – характеризует чувствительность фоторезистора при действии на него потока излучения постоянной мощности определенной длины волны (Рис. 3.6). Она определяется материалом, используемым для фоточувствительного элемента.

4. частотная характеристика – характеризует чувствительность фоторезистора при действии на него светового потока, изменяющегося с определенной частотой.

 

Рисунок 3.5 – а) Вольт-амперная характеристика; б) Световая характеристика

 

Рисунок 3.6 – Спектральная характеристика фоторезистора

Применяются фоторезисторы в устройствах регулирования и автоматики, сигнализации.

В отличии от фоторезистора, который способен работать только с использованием источника питания, фотодиод работает или вообще без внешнего напряжения (фотогальванический режим) или при обратном внешнем напряжении (фотодиодный режим).

Рис. 3.7 - Режим работы фотодиода: а) - фотогальванический; б) - фотодиодный

 

При этом выражение для тока фотодиода в случае a): I_ФД=U∙R_Н ;

и в случае б): I_ФД=(E+U)/R_Н

Для фотодиода присущи следующие основные характеристики:

1. Вольт-амперная характеристика (Рис. 3.8). Семейство характеристик расположено в квадрантах I, II, IV. Квадрант I – это рабочая область фотодиода. Квадрант III – это фотодиодная область работы фотодиода. Квадрант IV – соответствует фотогальваническому режиму работы фотодиода. Точки пересечения вольт-амперных характеристик с осью напряжения соответствует напряжению холостого хода U_X, а с осью токов- току короткого замыкания I_K.

2. Энергетическая (световая) характеристика. По световой характеристике определяется интегральная чувствительность фотодиода: K=I_Ф/Ф (Рис. 3.9)

3. Спектральная характеристика (Рис. 3.10)

 

 

Рисунок 3.8 – Семейство вольт-амперная характеристика фотодиода.

 

Рисунок 3.9 – Световая характеристика фотодиода в фотогальваническом и фотодиодном режимах.

 

Рисунок 3.10 – Спектральная характеристика фотодиода, выполненного из 1-германия или 2 – кремния.