6.3.2.4 Светодиоды

Светодио́д или светоизлучающий диод (СД, СИД, LED англ. Light-emitting diode) — полупроводниковый прибор с электронно-дырочным переходом или контактом металл-полупроводник, создающий оптическое излучение при пропускании через него электрического тока. Излучаемый свет лежит в узком диапазоне спектра, его спектральные характеристики зависят в том числе от химического состава использованных в нём полупроводников.

При пропускании электрического тока через p-n переход в прямом направлении, носители заряда — электроны и дырки — рекомбинируют с излучением фотонов (из-за перехода электронов с одного энергетического уровня на другой).

Рисунок 6.59 – Условное изображение светодиода

Принцип работы описан в полупроводниковом лазере (см. рис. 6.60).

Рисунок 6.60 – Схема работы светодиода

Преимущества:

- Высокая световая отдача. Современные светодиоды немного уступают по этому параметру только натриевым газоразрядным лампам и металлогалогенным лампам.

- Высокая механическая прочность, вибростойкость (отсутствие нити накаливания и иных чувствительных составляющих).

- Длительный срок службы. Но и он не бесконечен — при длительной работе и/или плохом охлаждении происходит «отравление» кристалла и постепенное падение яркости.

- Спектр современных люминофорных диодов аналогичен спектру люминесцентных ламп, которые давно используются в быту. Схожесть спектра обусловлена тем, что в этих светодиодах также используется люминофор, преобразующий ультрафиолетовое или синее излучение в видимое с хорошим спектром.

- Малая инерционность.

- Количество циклов включения-выключения не оказывают существенного влияния на срок службы светодиодов (в отличие от традиционных источников света - ламп накаливания, газоразрядных ламп).

- Малый угол излучения. Это может быть как достоинством, так и недостатком.

- Низкая стоимость индикаторных светодиодов, но высокая стоимость при использовании в освещении.

- Безопасность — не требуются высокие напряжения.

- Нечувствительность к низким и очень низким температурам. Однако, высокие температуры противопоказаны светодиоду, как и любым полупроводникам.

- Отсутствие ртути, в отличие от люминесцентных ламп.

- Малые габариты.

- Малая масса.

- Высокий к.п.д. (до 20%). Наибольший к.п.д. у арсенид- галлиевого светодиода (20%). При охлаждении КПД растет (при 77⁰К КПД  100%).

- Низкое рабочее напряжение.

- Возможность модуляции путем питания переменным током.

- Устойчивость к внешним воздействиям, надежность и долговечность (существенно превосходит другие источники излучения).

Очень высокой стабильностью отличается карбидо-кремниевый светодиод (высокая t⁰, влажность, в агрессивной среде работает на отрытом воздухе, параметры не меняются в течение 50000 ч. непрерывной работы).

Для большинства светодиодов характерна линейная зависимость от тока световых параметров.

Рисунок 6.61 – Строение светодиода

На рис. 6.62 и в табл. 6.25 приведены основные параметры отечественных светодиодов.

Рисунок 6.62 – Основные параметры некоторых отечественных светодиодов

Таблица 6.25 – Основные параметры отечественных светодиодов (рис.6.62)

Тип светодиода	Яркость излучения L, кд·м-2	Рабочий ток, мА	Рабочее напряжение, В	Мощность, Вт	Цвет свечения	Поз. на рис. 6.62
КЛ 101А	10	10	5,5	-	желтый	I
КЛ 101Б	15	20		-
КЛ 101В	20	40		-
Л 101А	10	10	5	-
Л 101Б	15	20		-
ЗЛ 108А	-	100	1,35	1,5	ИК	II
АЛ 103Б	-	50	1,6	0,6		III
АЛ 103А	-			1
АЛ 102А	5	5	3,2	-	красный	IV
АЛ 102Б	40	20	4,5	-	зеленый
ЗЛ 102А	5	5	3,2	-	красный

Крепление светодиодов.

Корпус светодиода приклеивается в оправе. Электроды распаиваются и изолируются.

Нагрев светодиода приводит к искажению его рабочих параметров (особенно для светодиодов в безкорпусном исполнении). Необходимо охлаждение. В этом случае для изготовления оправы используют материал с большой теплопроводимостью (в частности, массивный стержень из бескислородной меди). Большой коэффициент теплопроводности у меди и алюминия, у стали в 4 раза меньше.

Кроме того, для дополнительного охлаждения применяют специальные методы:

1) естественная конвекция;

2) естественное охлаждение через перфорированные отверстия кожуха;

3) принудительное воздушное охлаждение (вентилятор).

4) охлаждение водой (дисцилированной). Вода обладает большей теплопроводностью и теплоемкостью, чем воздух.