Šviesos diodai (LED) yra efektyvūs puslaidininkiai, generuojantys šviesą per procesą, vadinamą elektroliuminescencija. Jie yra mažesni, ilgaamžiškesni ir patikimesni nei kaitrinės ar fluorescencinės lempos. Naudojant apšvietimą, ekranus ir specializuotas sritis, šviesos diodai pasižymi dideliu našumu ir energijos taupymu. Šiame straipsnyje pateikiama informacija apie šviesos diodų veikimą, jų charakteristikas, tarnavimo laiką ir išplėstinius tipus.
LED apžvalga
Šviesos diodas (LED) yra puslaidininkinis įtaisas, kuris generuoja šviesą, kai srovė teka per jį į priekį. Skirtingai nuo kaitrinių lempučių, kurios šviečia kaitinant kaitinamąjį siūlą, arba fluorescencinių lempų, kurios priklauso nuo dujų sužadinimo, šviesos diodai veikia per elektroliuminescenciją, tiesioginę fotonų emisiją, kai elektronai rekombinuojasi su skylėmis puslaidininkio viduje. Dėl šio proceso jie yra daug efektyvesni ir patikimesni nei senesnės technologijos. Šviesos diodai išsiskiria kompaktišku dizainu, ilgu tarnavimo laiku, ilgaamžiškumu nuo smūgių ir vibracijos bei minimaliomis energijos sąnaudomis.
Šviesos spinduliavimas puslaidininkiuose
Šis vaizdas paaiškina puslaidininkių šviesos spinduliavimo procesą, kuris yra šviesos diodų veikimo principas. Kai puslaidininkis sužadinamas elektros srove arba optine injekcija, elektronai juda iš valentinės juostos į laidumo juostą, sukurdami elektronų ir skylių atskyrimą. Šis energijos skirtumas vadinamas juostos tarpu (Pvz.).
Sužadintas, laidumo juostoje esantis elektronas galiausiai rekombinuojasi su skyle valentinėje juostoje. Šio rekombinacijos proceso metu prarasta energija išsiskiria fotono pavidalu. Skleidžiamo fotono energija tiksliai atitinka medžiagos juostos tarpą, o tai reiškia, kad šviesos bangos ilgis (arba spalva) priklauso nuo puslaidininkio juostos tarpo.
LED elektrinės charakteristikos
| LED spalva | Tiesioginė įtampa (Vf) | Tiesioginė srovė (mA) | Pastabos |
|---|---|---|---|
| Raudona | 1.6 – 2.0 V | 5 – 20 mA | Mažiausias Vf, labai efektyvus |
| Žalia | 2,0 – 2,4 V | 5 – 20 mA | Šiek tiek didesnis Vf |
| Mėlyna | 2,8 – 3,3 V | 5 – 20 mA | Reikia daugiau įtampos |
| Balta | 2,8 – 3,5 V | 10 – 30 mA | Pagaminta su mėlyna LED + fosforo danga |
LED šviesos išvestis ir efektyvumas
| Šviesos šaltinis | Efektyvumas (liumenai vatui) | Pastabos |
|---|---|---|
| Kaitrinė lemputė | \~10–15 lm/W | Didžioji dalis energijos prarandama kaip šiluma |
| Halogeninė lempa | \~15–25 lm/W | Šiek tiek geriau nei kaitrinė |
| Liuminescencinis vamzdis | \~50–100 lm/W | Reikalingas balastas, yra gyvsidabrio |
| Kompaktiškas fluorescencinis (CFL) | \~60–90 lm/W | Mažos formos faktorius, palaipsniui atsisakomas |
| Modernus LED | 120–200 lm/W | Galima naudoti vartotojų apšvietime |
| Aukščiausios klasės LED prototipai | 250–300+ lm/W | Išbandyta laboratorijoje, parodanti ateities potencialą |
LED spalva ir atvaizdavimo kokybė
Koreliuota spalvų temperatūra (CCT)
• Šilta balta (2700K–3500K): sukuria gelsvą švytėjimą, geriausiai tinka svetainėms, restoranams ir jaukioms patalpoms.
• Neutrali balta (4000K–4500K): subalansuota ir patogi, dažnai naudojama biuruose, klasėse ir mažmeninės prekybos patalpose.
• Šalta balta (5000K–6500K): ryški, melsva dienos šviesą primenanti šviesa, puikiai tinka lauko apšvietimui, dirbtuvėms ir sudėtingoms užduotims.
Spalvų perteikimo indeksas (CRI)
• CRI ≥ 80: tinka buitiniam ir komerciniam apšvietimui.
• CRI ≥ 90: reikalingas vietovėse, kuriose reikia tikslaus spalvų sprendimo, pvz., meno studijose, medicinos įstaigose ir aukščiausios klasės mažmeninėje prekyboje.
LED tarnavimo laikas ir liumenų priežiūra
L70 standartas
LED tarnavimo laikas matuojamas pagal L70 standartą. Ši vertė rodo darbo valandų skaičių, kol šviesos diodo šviesos srautas sumažės iki 70% pradinio ryškumo. Šiuo metu šviesos diodas vis dar veikia, bet nebeužtikrina numatytos apšvietimo kokybės. L70 užtikrina nuoseklų būdą palyginti skirtingų gamintojų LED našumą.
LED tarnavimo laikas
• Vartotojų šviesos diodai: 25 000 – 50 000 naudojimo valandų.
• Pramoniniai šviesos diodai: 50 000 – 100 000+ valandų, skirti atšiauresnėms sąlygoms ir ilgesniems darbo ciklams.
LED šilumos valdymas
Sankryžos temperatūra (Tj)
Sankryžos temperatūra yra vidinė temperatūra toje vietoje, kur šviesa generuojama LED lusto viduje. Gamintojai nurodo saugų veikimo diapazoną žemiau 125 °C. Viršijus šią vertę, sumažėja šviesos diodo ryškumas, efektyvumas ir tarnavimo laikas. Išlaikant žemą Tj, šviesos diodas gali atitikti vardinį našumą.
Sankryžos ir aplinkos šiluminis kelias
Šviesos diodo viduje susidaranti šiluma turi keliauti iš sankryžos į aplinkinį orą. Šis kelias vadinamas sankryžos į aplinkos kelią. Projektuotojai matuoja jo efektyvumą naudodami šiluminę varžą (RθJA), išreikštą °C/W. Mažesnė šiluminė varža reiškia, kad šiluma perduodama efektyviau, todėl šviesos diodas išlieka vėsesnis ir stabilesnis.
Aušinimo būdai
• Radiatoriai – aliuminio pelekai sugeria ir paskirsto šilumą nuo šviesos diodo.
• Šiluminės angos – mažos padengtos skylės PCB praleidžia šilumą iš LED padėklo į vario sluoksnius.
• Metalinės šerdies PCB (MCPCB) – naudojamos didelės galios šviesos dioduose, šios plokštės turi metalinį pagrindą, kuris efektyviai perduoda šilumą.
• Aktyvus aušinimas – ventiliatoriai arba skysčio aušinimo sistemos naudojamos sudėtingoje aplinkoje, pvz., projektoriuose, stadiono apšvietime ar pramoniniuose įrenginiuose.
LED vairavimo metodai
Pastovios srovės tvarkyklės
Pastovios srovės tvarkyklė palaiko stabilią LED srovę net tada, kai maitinimo įtampa svyruoja. Tai patikimiausias būdas maitinti šviesos diodus, nes apsaugo nuo šilumos nutekėjimo ir palaiko pastovų šviesos srautą. Aukštos kokybės tvarkyklės dažnai apima apsaugą nuo trumpojo jungimo, viršįtampių ir perkaitimo sąlygų.
PWM pritemdymas
Impulsų pločio moduliacija (PWM) valdo ryškumą įjungiant ir išjungiant šviesos diodą labai dideliu greičiu. Reguliuojant darbo ciklą (įjungimo ir išjungimo laiko santykį), suvokiamas ryškumas keičiasi sklandžiai. Kadangi perjungimo dažnis viršija žmogaus akies aptikimo diapazoną, šviesa atrodo pastovi. Prastai suprojektuotos sistemos su žemo dažnio PWM gali sukelti matomą mirgėjimą, dėl kurio akys gali būti įtemptos arba kameros artefaktai.
Analoginis pritemdymas
Analoginio pritemdymo metu ryškumas reguliuojamas keičiant per šviesos diodą tekančios srovės amplitudę. Šis metodas leidžia išvengti mirgėjimo problemų, tačiau gali šiek tiek pakeisti šviesos diodo spalvą, ypač esant labai žemam ryškumo lygiui. Analoginis pritemdymas dažnai derinamas su PWM pažangiose sistemose, kad būtų pasiektas sklandus spalvų valdymas ir tikslus ryškumo reguliavimas.
LED pakuotės ir optika
Paviršinio montavimo įrenginio (SMD) šviesos diodai
SMD šviesos diodai yra dažniausiai naudojamas šiuolaikiniame apšvietime. Jie montuojami tiesiai ant PCB ir yra standartinių dydžių, tokių kaip 2835 ir 5050. SMD šviesos diodai užtikrina gerą efektyvumą ir lankstumą, todėl geriausiai tinka LED juostoms, buitinėms lemputėms ir skydiniams šviestuvams. Kompaktiškas dydis leidžia lengvai integruoti į plonus ir lengvus šviestuvus.
Lusto plokštės (COB) šviesos diodai
COB paketai montuoja kelis LED štampus tiesiai ant vieno pagrindo, sukurdami tankų šviesos šaltinį. Ši konstrukcija pasižymi didesniu ryškumu, sklandesne šviesa ir mažesniu akinimu, palyginti su atskirais SMD. COB šviesos diodai yra prožektoriuose, apatiniuose šviestuvuose ir didelės galios lempose, kur reikalingas stiprus kryptinis apšvietimas.
Lusto masto paketo (CSP) šviesos diodai
CSP technologija pašalina didelių gabaritų pakuotę, sumažindama šviesos diodą iki beveik tokio pat dydžio kaip pats puslaidininkio štampas. Tai leidžia mažesnius, efektyvesnius ir termiškai stabilesnius dizainus. CSP šviesos diodai plačiai naudojami automobilių priekiniuose žibintuose, išmaniųjų telefonų apšvietime ir ekranų skydeliuose, kur reikalingas kompaktiškumas ir ilgaamžiškumas.
Optika ir pluošto valdymas
Neapdorota šviesa iš LED pakuotės ne visada tinka tiesioginiam naudojimui. Norėdami formuoti ir nukreipti šviesą, dizaineriai naudoja optinius elementus, tokius kaip lęšiai, kad fokusuotų ar skleistų šviesą. Atšvaitai, skirti nukreipti ir valdyti spindulio kampus. Difuzoriai švelniam, tolygiam apšvietimui.
Specializuoti šviesos diodų tipai
UV šviesos diodai
Skleiskite ultravioletinę šviesą sterilizavimui, klijų kietėjimui ir padirbinių aptikimui. Saugi, kompaktiška alternatyva gyvsidabrio UV lempoms.
IR šviesos diodai
Sukurkite nematomą infraraudonąją šviesą nuotolinio valdymo pultams, naktiniam matymui ir biometrinėms sistemoms. Efektyvus ir plačiai naudojamas elektronikoje ir apsaugoje.
OLED
Ploni, lankstūs organiniai šviesos diodai naudojami išmaniuosiuose telefonuose, televizoriuose ir nešiojamuosiuose įrenginiuose. Atkuria ryškias spalvas ir kontrastą, bet trumpesnį tarnavimo laiką.
Mikro šviesos diodai
Naujos kartos ekranai, pasižymintys ryškesniu, efektyvesniu ir ilgiau veikiančiu veikimu nei OLED. Geriausiai tinka AR/VR, televizoriams ir išmaniesiems laikrodžiams.
Lazeriniai diodai
Puslaidininkiniai įtaisai, sukuriantys nuoseklius, didelio intensyvumo spindulius. Naudojamas šviesolaidyje, skaitytuvuose, medicinos įrankiuose ir lazeriniuose rodyklėse.
Išvada
Šviesos diodai tapo universaliais komponentais, naudojamais apšvietimui, ekranams ir pažangioms technologijoms. Jų efektyvumas, ilgaamžiškumas ir valdomumas išskiria juos iš senesnių šviesos šaltinių. Specializuotos formos, tokios kaip UV, IR, OLED ir mikro šviesos diodai, dar labiau išplečia savo vaidmenį. Nuolat tobulinant, šviesos diodai išlieka svarbiausi tvarių ir didelio našumo apšvietimo sistemų ateičiai.
Dažnai užduodami klausimai [DUK]
1 klausimas. Iš kokių medžiagų gaminami šviesos diodai?
Šviesos diodai gaminami iš puslaidininkių, tokių kaip galio arsenidas (GaAs), galio fosfidas (GaP) ir galio nitridas (GaN).
2 klausimas. Kodėl šviesos diodams reikalingi rezistoriai?
Rezistoriai riboja srovės srautą ir apsaugo šviesos diodus nuo perdegimo.
3 klausimas. Kaip gaminami balti šviesos diodai?
Balti šviesos diodai naudoja mėlyną LED lustą su geltona fosforo danga, kad sukurtų baltą šviesą.
4 klausimas. Kodėl šviesos diodai laikui bėgant keičia spalvą?
Šviesos diodai keičia spalvą dėl šilumos ir medžiagų skilimo, taip pat dėl fosforo skilimo.
5 klausimas. Ar šviesos diodai gali veikti ekstremalioje aplinkoje?
Taip. Tinkamai suprojektavus, šviesos diodai gali veikti labai šaltomis, karštomis, drėgnomis ar dulkėtomis sąlygomis.
6 klausimas. Kaip tikrinamas LED tarnavimo laikas?
Šviesos diodai išbandomi esant šiluminiu, drėgmei ir elektriniam įtempiui, kad būtų galima įvertinti tarnavimo laiką.