Світлодіоди

Світлодіод (англ. LED - light-emitting diode) — напівпровідниковий пристрій, що випромінює світло, при пропусканні через нього електричного струму (ефект, відомий як електролюмінесценція). Випромінюване світло традиційних світлодіодів лежить у вузькій ділянці спектра, а його колір залежить від хімічного складу використаного у світлодіоді напівпровідника. Сучасні світлодіоди можуть випромінювати світло від інфрачервоної ділянки спектра до ультрафіолету. На відміну від ламп розжарювання, які випромінюють світловий потік широкого спектра, рівномірно у всіх напрямках, звичайні світлодіоди випромінюють світло певної довжини хвилі і в певному напрямі.

Будова

В основному світлодіод складається з безлічі шарів напівпровідникових з'єднань. Напівпровідники, наприклад, кремній, - це речовини, які за своєю електричною провідністю знаходяться між провідниками, наприклад, металами сріблом та міддю, та непровідниками (діелектриками), наприклад, тефлоном та кварцовим склом. При цілеспрямованому введенні електрично-активних домішок (легуванні) можна сильно впливати на провідність напівпровідників. Різні напівпровідникові шари утворюють разом кристал світлодіода.

Від способу з'єднання цих шарів (різні напівпровідники) вирішальним чином залежать світлова віддача (ефективність) світлодіода і колір світла. Цей кристал світлодіода покривається пластмасою (пластикова лінза), яка відповідає за характеристику випромінювання світлодіода і одночасно служить його захистом.

Відповідно до необхідності світлодіоди можуть мати різний розмір, конструкційну форму та колір. 

Класичний варіант (стандартний LED) має циліндричну форму і в місці виходу світла закінчується півкулею.

Високопотужні світлодіоди мають великий металевий елемент, що забезпечує кращу терморегуляцію. Завдяки тому, що тепло легше відводиться, через діод може проходити більше струму, світлове випромінювання має велику площу, і світлова потужність вища. Порівняно з простим 5-мм світлодіодом тепловий опір знижено вдесятеро.

Компактна, плоска конструкція світлодіодів забезпечує великий конструкційний простір для перспективного дизайну виробів: наприклад, модулі денного світла фар LEDayFlex.

Принцип дії

Легований домішкою n-типу шар приготовлений введенням домішкових атомів так, що тут панує переповнення електронами. У легованому домішкою p-типу шарі, навпаки, є лише невелика кількість цих носіїв заряду. Внаслідок цього існують так звані електронні вакансії (дірки). При подачі напруги (+) у шар з домішкою p-типу та (–) у шар з домішкою n-типу носії заряду починають рух один до одного. У pn-переході відбувається рекомбінація (возз'єднання протилежно заряджених частинок у нейтральне утворення). У цьому процесі вивільняється енергія у вигляді світла.

Основні властивості

При подачі на світлодіод напруги його опір падає до нуля. Світлодіоди є виключно чутливими виробами, у яких навіть незначне перевищення допустимої сили струму призводить до їх руйнування. Тому необхідно стежити, щоб світлодіоди ніколи не підключалися безпосередньо до джерела напруги. Їх можна підключати тільки коли в ланцюзі встановлено струмообмежувач або додатковий резистор. У високопотужних світлодіодів включення здійснюється через пускову електроніку, що забезпечує сталість струму.

Термін служби (світлова дегенерація) світлодіоду - час, протягом якого діод світить, доки його сила світла не впаде до половини початкового значення свічення. Працездатність LED залежить від багатьох факторів. Застосовуваний матеріал напівпровідників при цьому також важливий, як і умови експлуатації або дегенерація кристала кремнію.

Загального правила встановлення фактичного терміну служби немає. Якщо стандартний світлодіод має термін служби до 100000 годин (понад 11 років безперервної експлуатації), то високопотужні світлодіоди використовуються лише від чверті до, як максимум, половини цього терміну (25000 - 50000 годин, або понад 2 роки безперервної експлуатації).

Головні чинники, що впливають на термін служби

• Температура

• Щільність струму

• Дегенерація кристалу кремнію

Термін служби діода сильно залежить від місця використання і щільності струму, що подається. Тому що, чим вище сила струму, тим більше нагрівається діод. Це веде до скорочення терміну служби. Важливою для терміну служби є і навколишня температура, тому що чим вища загальна температура оточення, тим швидше світлодіод виходить з ладу. До всіх світлодіодів відноситься правило, що з часом сила світлового випромінювання безперервно знижується. Це є перевагою, тому що, на відміну від стандартних ламп (лампа розжарювання, галогенова лампа), світлодіод ніколи несподівано не згасне в темряві. Навіть якщо яскравість слабшає, то за нормальних умов він просто так не вийде з ладу. Стандартно використовувані у світлодіодах пластмасові лінзи з часом мутніють, що також негативно впливає на світлову віддачу.

Терморегуляція під час використання світлодіодів грає вирішальну роль, оскільки ці конструктивні елементи дуже чутливі до тепла.

Оскільки світлодіоди є джерелами холодного світла, випромінене ними світло не нагріває освітлювані об'єкти. Однак сам світлодіод у процесі утворення світла нагрівається. До 85% енергії перетворюється на тепло. Чим нижча температура, тим яскравіше і довше світять світлодіоди. Внаслідок цього необхідно обов'язково стежити за відповідним охолодженням. Поряд з теплом, що самостійно виробляється при використанні фар або ліхтарів необхідно також враховувати інші джерела тепла, такі, як тепло двигуна, сонячне випромінювання і т.п. Тому і в даний час в залежності від світлодіодів та мети їх застосування використовують різні технології підвищення теплопередачі або тепловідведення:

• Ребристі радіатори

• Штиркові радіатори

• Радіатори з тепловою трубкою

Крім цього, найчастіше існує можливість регулювати струм, що подається на світлодіод. В екстремальних умовах можна до певного розміру зменшити потужність світлодіодів, щоб таким чином зменшити утворення тепла.

Для ще більшого охолодження підвищується циркуляція повітря за допомогою вентиляторів між охолоджувальними елементами.

Конструкційні форми

Існують різні форми та типи світлодіодів. Залежно від сфери застосування вони різняться по конструкції, потужності та терміну служби. До найбільш уживаних світлодіодів відносяться:

Переваги світлодіодів

Світлодіоди перевершують інші джерела світла у багатьох відношеннях. Хоча при придбанні вони дорожчі за станадартні лампи розжарювання або галогенові лампи, але їх використання окупається вже через короткий час.

Найважливіші переваги:

• Мінімальна витрата енергії

• Великий термін служби

• Ударна та вібраційна міцність

• Знижене теплоутворення

• Відсутність витрат на обслуговування чи очищення

• Відсутність ртуті

• Чітка світлотіньова межа

• Безінерційна комутованість та модульованість

• Високоякісна світлопередача

• Різноманітність конструкцій (застосовуються майже всюди)

• Індивідуальне розташування освітлювального засобу

• Температура світла зберігається при перемиканні світла

• Регульований колір світла

• Невисокі витрати на виробництво

• Підвищена світлова енергія

• Висока надійність

• Компактні розміри

• Відсутність ультрафіолетового та інфрачервоного випромінювання

• Мала споживана потужність

• Спрямоване світло

• Висока насиченість світла

Оптимізація витрати енергії та збереження потенціалу завдяки світлодіодам

Захист навколишнього середовища та підвищення цін на пальне є переконливими аргументами ще більшої, ніж раніше, актуальності теми енергозбереження. Основна увага при придбанні нового автомобіля сьогодні однозначно звертається на витрату палива. Однак надто часто поза увагою залишається потенціал економії, що відноситься до витрати енергії освітленням автомобіля.

Представлений нижче графік відображає 100% витрату енергії автомобіля, оснащеного комбінацією з ламп розжарювання (задні ліхтарі) та галогенових ламп (фари).

Вже застосування комбінації ксенонових ліхтарів та світлодіодів веде до того, що можна знизити витрати енергії на 39%.

Якщо використовувати лише світлодіодне освітлення, то витрата енергії скорочується на 60%.

Скорочення гальмівного шляху – використання світлодіодів підвищує безпеку на дорогах

У всьому світі зростає кількість автомобілів. Внаслідок великої інтенсивності дорожнього руху дедалі частіше відбуваються дорожньо-транспортні пригоди. Для запобігання їм велике значення має швидке сприйняття водієм світлових сигналів. Якщо стандартній лампі розжарення для загоряння необхідно до 0,2 секунди, світлодіод реагує негайно. Йому не потрібно фази нагрівання і він спалахує відразу після натискання педалі гальма. Так автомобіль, що рухається ззаду, може швидше зреагувати на ситуацію.

Приклад:

Два автомобілі рухаються один за одним зі швидкістю 100 км/год (безпечна відстань 50 м). Передній автомобіль гальмує, завдяки негайному загорянню світлодіода водій заднього автомобіля може відреагувати практично в той же момент і також виконати гальмування. Таким чином, гальмівний шлях зменшиться майже на 5 м.