2.8 Светодиоды

Светодиод — это оптоэлектронное полупроводниковое устройство, которое создаёт инфракрасное излучение или свет в видимом диапазоне спектра при прохождении через него электрического тока. Светодиоды используются во многих отраслях промышленности и в бытовой электронной технике для сигнализации, индикации и контроля над выполнением процессов. Светодиоды имеют много преимуществ по сравнению с источниками света, использующими нить накаливания, включая более низкое энергопотребление, продолжительный срок службы, механическую прочность, меньший размер и повышенную скорость коммутации. Лампа накаливания работает по принципу прохождения электрического тока по нити накала, которая находится внутри стеклянной колбы лампы. Нить нагревается и начинает излучать свет. Однако при этом также излучается большое количество тепла. Лампа накаливания теряет около 98 % своей энергии из-за выделения тепла, что делает её практически неэффективной.

Светодиоды — очень надёжные твердотельные устройства (без подвижных и незакреплённых частей), которые относятся к новейшему семейству технологии светодиодного освещения — Solid State. Они ударопрочны и потребляют незначительную мощность, выделяя при этом очень малое количество тепла. В массовых количествах они впервые появились на рынке в конце 1960-х годов.

Стандартный светодиод состоит из светодиодного кристалла — чипа, установленного на подставке в чаше с рефлектором, с проводом, соединяющим её с выводами компонента. Указанные части помещены в корпус из твёрдой эпоксидной смолы с линзой, которая защищает чип и фокусирует свет в луч (см. рис. 2.13; ист.: Dialight Corporation). Расстояние между чашей кристалла и куполообразным концом линзы определяет, насколько сильно сфокусирован получаемый световой луч. Некоторые светодиоды имеют плоские концы для рассеивания света и получения широкого светового луча.

Рис. 2.13

Принцип работы светодиодов основан на эффекте электролюминесценции, согласно которому определённые материалы излучают свет при подаче электричества. В светодиодах нет нагреваемой нити накала — светодиоды светятся благодаря перемещению электронов в полупроводниковом материале. Свет излучается из p-n-перехода диода.

Cветодиод сам по себе не излучает много света, поэтому корпус из эпоксидной смолы сконструирован таким образом, чтобы фотоны света, излучаемого светодиодом, отражались от окружающей подложки, к которой прикреплен диод, и были направлены вверх — через куполообразную верхушку светодиода, которая исполняет роль линзы, концентрируя в одном месте определённое количество света. Именно поэтому на верхушке светодиода излучаемый свет наиболее яркий.

В отличие от обычных сигнальных диодов, которые разработаны для обнаружения и выпрямления сигнала и выполнены из полупроводниковых материалов германия или кремния, светодиоды выполнены с использованием нетипичных полупроводниковых соединений, таких как арсенид галлия (GaAs), фосфид галлия (GaP), арсенид-фосфид галлия (GaAsP), карбид кремния (SiC) и нитрид галлия-индия (GaInN). Эти материалы смешиваются в различных пропорциях для получения цвета с различной длиной волны. Светодиоды из новейших материалов в действительности могут быть наравне и даже превышать производительность обычных ламп накаливания. Это повышение эффективности и светоотдачи позволило использовать светодиоды в большом количестве дополнительных областей применения, включая сигналы светофора, применение в автомобилях (стоп-сигнал, сигналы поворота и задние габаритные огни), а также для уличного освещения.

Светодиоды используются для освещения, индикации и сигнализации и могут быть как видимого спектра, так и инфракрасного. Светодиоды видимого цветового спектра доступны в различных цветовых исполнениях: красный, оранжевый, янтарный, жёлтый, зелёный, синий и белый. Цвет определяется максимальной длиной волны излучаемых фотонов и зависит исключительно от используемого полупроводникового материала. На цвет также может влиять цвет корпуса из эпоксидной смолы, и при использовании цвета, отличного от цвета кристалла, он может исполнять роль фильтра.

ДИАГРАММА ЦВЕТНОСТИ CIE

CIE (Commission Internationale de I’Eclairage — Международная комиссия по освещению) занимается стандартизацией освещения, и в 1931 году для измерения характеристик цветов создала и учредила систему X-Y, основываясь на предположении, что каждый цвет является сочетанием трёх основных цветов — красного, зелёного и синего. В 1976 году в эту диаграмму были внесены поправки. Она позволяет перевести заданный цвет в простые координаты и наоборот. Диаграмма цветности CIE — это двухмерные координаты цвета x и y, и она определяет все цвета, которые может воспринимать человеческий глаз.

Идеальный монохроматический (одноцветный) источник света излучает свет только одной определённой длины волны. На диаграмме CIE координаты полностью чистых цветов (Pure Colors) расположены на границах (по периметру) кривой диаграммы. Диаграмма создает основу для изучения цветов.

В реальности светоизлучение любого монохроматического источника включает в себя смесь смежных длин волны. Зелёный светодиод является хорошим примером, так как он обычно не имеет такой чистый цвет, какой имеет большинство красных светодиодов. Диаграмма имеет цветовое пространство с равномерным представлением видимого цветового спектра, и любой цвет может быть представлен в виде двух координат цвета: x и y. Участок белого (ахроматического) света расположен посередине диаграммы, и центральная точка имеет координаты (x, y) = (1/3, 1/3).

Рис. 2.14

ЦВЕТА И ДЛИНА ВОЛНЫ

Цвет светодиода определяется исключительно структурой полупроводника, из которого он сделан, а не цветом окружающей его эпоксидной линзы.

Рис. 2.15. Видимый свет в диапазоне длин волн (в нанометрах)

Видимый свет охватывает всего лишь небольшой диапазон в спектре электромагнитного излучения. Человеческий глаз воспринимает только волны от ультрафиолетовых (380 нм) до темно-красных (780 нм) и наиболее чувствителен к зелёному свету с длиной волны 563 нм.

Этот диапазон содержит только видимый свет электромагнитной волны, хотя частоты вне этого диапазона используются человеком ежедневно. На рис. 2.16 указаны длины волн в нанометрах (1 нм = 10^–9 м) для соответствующих цветов.

Рис. 2.16

ТЕРМИНОЛОГИЯ

• Power Dissipation — рассеиваемая мощность (P_d), мВт
  Мощность, рассеиваемая прямым током и напряжением.
• Forward Current — прямой ток (I_F), мА
  Ток, проходящий через диод от анода к катоду.
• Peak Forward Current — импульсный прямой ток (I_FM), мА
  Прямой импульсный ток, проходящий при импульсном освещении.

Рис. 2.17. Кривая снижения тока

• Current derating — снижение номинального тока, мА/°C
  Снижение значения тока при превышении температуры окружающей среды (выше 25 °C).
• Forward Voltage — прямое напряжение (V_F), В
  Рабочее напряжение светодиода и падение напряжения при протекании прямого тока от анода к катоду. Светодиоды различного цвета имеют различные значения номинального прямого напряжения. Для красного светодиода значение напряжения наиболее низкое.
  По мере перемещения цветовой гаммы к синему цвету повышаются требования к напряжению. Обычно для красного светодиода необходимо напряжение около 2 В, а для белого — около 4 В.
  Так как светодиод в сущности является диодом, его вольтамперная характеристика может быть построена для каждого цвета диода, как показано на рис. 2.18.
  Из графика можно заметить, что каждый диод имеет свое прямое падение напряжения на p-n переходе, и этот параметр, который определяется используемым полупроводниковым материалом, является прямым падением напряжения при конкретном значении прямого тока проводимости, обычно при 20 мА.
• Reverse Current — обратный ток (I_R), мкА
  Ток утечки при прикладывании напряжения смещения от катода к аноду.
• Radial Intensity — интенсивность излучения (I_E), мВт/ср
  Поток в ваттах, рассчитанный на единицу телесного угла на оптической оси.

Рис. 2.18

• Spatial Distribution — пространственное распределение (2Θ1/2), град Распределение интенсивности излучения.
• Response Time — время срабатывания (tr, tf), нс или мкс
  Время нарастания (с 10 до 90 %) и падения (с 90 до 10 %) интенсивности излучения при подаче импульса на вход.
• Junction Capacitance — емкость перехода (Co), пФ
  Статическая емкость между анодом и катодом светодиода при напряжении смещения 0 В.
• Wave Length — длина волны, нм
  В технических спецификациях к светодиодам обычно указываются два параметра длины волны: максимальная (или пиковая) длина волны
  (Peak Wavelength) и доминантная длина волны (Dominant Wavelength).
• Пиковая длина волны — длина волны при максимальной интенсивности излучения.
• Доминантная длина волны — длина волны наиболее яркого видимого света при наивысшей чувствительности зрения номинального оптического спектра. Иными словами, доминантная длина волны определяет то, как человеческий глаз воспринимает цвет, так как наши глаза более чувствительны к одним цветам, чем к другим. Таким образом, доминантная длина волны — это длина волны, которую мы видим как наиболее яркий свет, излучаемый светодиодом.
• Luminous Intensity — интенсивность света, мкд
  Яркость или интенсивность света светодиода зависит от величины прямого тока, проходящего по диоду, и от угла обзора. Для большинства светодиодов величина яркости определяется при 20 мА, а зависимость интенсивности от прямого тока обычно имеет линейный характер.

Рис. 2.19

ИНТЕНСИВНОСТЬ СВЕТА В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ПРЯМОГО ТОКА

Светодиод может иметь более высокую интенсивность света при более высоких значениях тока, но зачастую имеет более короткий эксплуатационный срок службы, чем устройства, работающие при более низких токах.

При высоких значениях тока светодиоды со временем также имеют склонность к более быстрому снижению полной выходной мощности. При значениях прямого тока в 20 мА и ниже большинство светодиодов работают нормально в течение 100 тыс. часов (более 11 лет) при температуре 25 °C. Эксплуатационный ресурс характеризуется снижением интенсивности светодиода со временем. Когда интенсивность светодиода снижается наполовину от своего изначального значения после 100 тыс. часов эксплуатации, это конец срока его полезного использования, хотя светодиод будет продолжать работать даже при снижении производительности.

Интенсивность света измеряется в миликанделах (мкд) и может иметь как минимальные, так и типичные значения. Проектировщики должны учитывать только минимальные значения, так как типичное значение — это всего лишь статистическое значение, которое не гарантируется производителями. При повышении температуры интенсивность света снижается.

СЛАБОТОЧНЫЕ СВЕТОДИОДЫ
Low Current LEDs

В качестве слаботочных диодов используются специальные типы диодов, которые потребляют самые низкие токи из источника питания (например, 2 мА).

Рис. 2.20а. 2Θ1/2 = 30°

Рис. 2.20б. 2Θ1/2 = 80°

На рынке появляется все больше устройств низкого тока. Их преимуществами является то, что ими можно управлять напрямую с помощью интегральных микросхем на комплементарных МОП-транзисторах. Кроме того, в конструкции схем с такими светодиодами нет необходимости использовать дополнительные усилители, что позволяет уменьшить размеры. Светодиоды с высокой яркостью излучают достаточно света для отчётливой сигнализации и индикации при малых токах, со значением прямого тока от 0.5 до 1.0 мА.

RGB

RGB — это аббревиатура из слов: red (красный), green (зелёный) и blue (синий). Это три основных цвета, составляющие световой поток. Сочетанием этих трёх цветов можно создавать широкое разнообразие других цветов, включая белый.

УГОЛ ОБЗОРА
Viewing Angle

Оптический угол обзора светодиода определяется формой отражателя, формой корпуса и расположением кристалла в корпусе. Угол обзора может быть узким (нерассеянным) и широким (рассеянным). Чем ближе кристалл находится к куполообразному концу, тем шире угол обзора, но при обзоре под углом к центральной линии яркость снижается.
Угол обзора измеряется под углом, в котором яркость составляет 50 % от максимального значения. Угол обзора — это максимальный угол (2Θ1/2), под которым обеспечивается приемлемая видимость изображения. Светодиоды измеряются таким образом, чтобы линия вдоль половины угла соответствовала половине яркости при обзоре (см. рис. 2.20а, 2.20б).

ТИПЫ ЛИНЗ СВЕТОДИОДА

Наиболее распространённые виды линз светодиода: прозрачные, затемнённые и рассеянные.

• Прозрачные — Water Clear
  Незатемнённая чистая эпоксидная линза без рассеивающих способностей. Эти светодиоды имеют самую высокую светоотдачу, но узкие углы обзора с центральной линии. Они спроектированы для использования в случаях, когда необходима очень высокая интенсивность или, если необходимо, чтобы в отключённом состоянии светодиоды были бесцветными. К примеру, для задней подсветки используются только такие светодиоды без рассеивания.
• Затемнённые — Tinted
  Прозрачная затемнённая эпоксидная линза, которая показывает цвет светодиода в выключенном состоянии. Затемнённые типы линз используются для того, чтобы в выключенном состоянии было видно, каким цветом будет светиться светодиод во включённом состоянии. Окраска не влияет на интенсивность света и угол обзора.
• Рассеянные — Diffused
  Светодиод, который рассеивает излучаемый свет, рекомендуется использовать в случаях, когда необходим визуальный контроль светодиода с достаточно широким углом обзора, к примеру, в устройствах прямого видения, в которых светодиод выступает вперед через отверстие в передней панели оборудования. Цветные линзы с рассеиванием практически не отличаются от белых линз с рассеиванием, кроме того, что они окрашены в определенный цвет.

ДВУХЦВЕТНЫЕ И ТРЁХЦВЕТНЫЕ СВЕТОДИОДЫ
Bi-Color and Tri-Color LEDs

Двухцветные диоды изготавливаются путём встречно-параллельного включения двух различных светодиодных кристаллов, заключённых в один корпус светодиода.
Для включения одного из светодиодов прикладывается либо положительное, либо отрицательное напряжение. Кристаллы различного цвета могут освещаться каждый отдельно или вместе.

Рис. 2.21а. Двухцветный светодиод

Рис. 2.21б. Трёхцветный светодиод

Красный цвет зажигается, если по устройству протекает ток в одном направлении, а зелёный — в обратном.

Трёхцветный светодиод — один светодиод, состоящий из двух кристаллов различных цветов и трёх выводов.

Кристаллы различного цвета могут светиться каждый отдельно или вместе при подключении с общим анодом или катодом. Они называются трёхцветными, потому что могут светиться красным или зелёным цветом путём включения только одного из светодиодов. Они также могут светиться дополнительным (третьим) цветом, таким как оранжевый или жёлтый, путём включения двух светодиодов одновременно с различным соотношением прямого тока. Таким образом, с помощью двух светодиодных кристаллов можно получить четыре различных цвета.

Есть также полноцветные светодиоды (Full Color LEDs) — светодиоды с тремя цветными светодиодными кристаллами (красный, зелёный и синий), обычно подключенными к общему катоду, с четырьмя выводами.

КОРПУСА СВЕТОДИОДОВ ДЛЯ МОНТАЖА В ОТВЕРСТИЯ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ
Packages of Through Holes LEDs

Светодиоды выпускаются различных форм и размеров. Стандартные размеры круглых светодиодов для монтажа в отверстия: 1.8, 3 (T1), 5 (T1 3/4), 8 и 10 мм. Существуют также овальные, прямоугольные и цилиндрические светодиоды.

Полярность круглого светодиода определяется по фаске (плоской кромке) для катода. При монтаже светодиода на печатной плате следует помнить, что его короткий вывод — это катод.

Рис. 2.22

Рис. 2.23

Рис. 2.24. Прямоугольные светодиоды в корпусах, монтируемых на печатной плате

СВЕТОДИОДЫ С ПОВЕРХНОСТНЫМ МОНТАЖОМ

Рис. 2.25

Рис. 2.26. Светодиоды SMT 0402, 0603, 0805, 1206	Рис. 2.27. Светодиоды SMT с куполообразной линзой	Рис. 2.28. Светодиоды SMT в корпусе PLCC
Рис. 2.29. Прямоугольные светодиоды	Рис. 2.30. Двухцветные светодиоды SMT (вертикальные и под прямым углом)	Рис. 2.31. Трёхцветные светодиоды SMT, RGB (вертикальные и под прямым углом)
Рис. 2.32. Светодиоды SMT для поверхностного монтажа с выводами типа «крыло чайки»	Рис. 2.33. Светодиоды SMT для обратного поверхностного монтажа (с отверстием в печатной плате и нижним направлением света)
Рис. 2.34. Светодиоды в корпусе для поверхностного монтажа

СВЕТОВОДЫ
Pipe Lights

Кроме обычных светодиодов, для некоторых видов применения требуются дополнительные оптические устройства для передачи света от светодиода к необходимому месту в оборудовании. Один из наиболее известных способов — это использование световодов. Они обеспечивают передачу света, который генерируется светодиодом, из одного места в другое путём отражения этого света и направления его в зону обзора. В технологический процесс сборки световодов включен дополнительный шаг — их механическое присоединение к печатной плате или к передней панели. Но, с другой стороны, отпадает необходимость использования дорогостоящих жаропрочных материалов, которые должны выдерживать высокие температуры пайки (Reflow), особенно при бессвинцовой технологии.

Световоды могут устанавливаться на панели или на печатной плате, и их можно использовать со светодиодами с поверхностным монтажом или с монтажом в отверстия печатных плат. Для того чтобы наиболее эффективно использовать световод и светодиод с минимальной потерей яркости, необходимо поместить светодиод под поверхность световода. Благодаря доступным ценам и соответствию обширному диапазону стандартных и потребительских требований световоды очень широко распространены и используются в ряде различных областей.

Рис. 2.35

ИНФРАКРАСНЫЕ СВЕТОДИОДЫ
IR LEDs

Инфракрасный (ИК) излучатель (IR LED) — источник световой энергии инфракрасного спектра. Это светоизлучающий диод, который используется для передачи ИК-сигналов с блока дистанционного управления. ИК-излучатель генерирует инфракрасный свет, который передает информацию и команды с одного устройства на другое. Существует несколько видов инфракрасных излучателей, которые классифицируются по длине волны, интенсивности света, углу половинной интенсивности, прямому напряжению, прямому току и виду корпуса. Излучение ИК-светодиодов является невидимым для глаз, поэтому их нельзя использовать для освещения и индикации.

Стандартные значения длины волны: 850, 860, 875, 880 и 940 нм. Инфракрасные светодиоды иногда называют IRED (Infra Red Emitting Diodes). Наиболее распространённые исполнения: круглые лампы T1 (3 мм) и T1 3/4 (5 мм).

БЕЛЫЕ СВЕТОДИОДЫ

В светодиодах белый свет можно получить двумя основными способами:

1. Люминофорным преобразованием, в котором синий или почти ультрафиолетовый (УФ) кристалл покрывается люминофором, благодаря чему излучаемый свет становится белым. Обычно люминофором покрывается синий светодиод. При сочетании с жёлтым люминофором свет для человеческого глаза будет казаться белым.
2. С помощью систем RGB, в которых свет нескольких монохроматических светодиодов (красного, зелёного и синего) смешивается и превращается в белый. Чёткость полученного цвета света можно улучшить путём добавления янтарного цвета для заполнения жёлтой области цветового спектра.

Рис. 2.36

ОРГАНИЧЕСКИЕ СВЕТОДИОДЫ (OLED)

В органическом светодиоде в качестве электролюминесцентного материала, который входит в состав излучающего слоя, используется органическое соединение. OLED состоит из одного или нескольких специальных органических/полимерных материалов, размещенных между двумя электродами, один из которых прозрачный. Цвет света зависит от используемых органических/полимерных соединений. Полноцветные OLED-панели можно создать путём сочетания красных, зелёных и синих секций. По сравнению с обычными светодиодами органические светодиоды более яркие, а полимерные имеют дополнительное преимущество за счёт своей гибкости. OLEDs используются в экранах портативных электронных устройств, таких как мобильный телефон и цифровая камера.
Одним из вариантов использования органических светодиодов в будущем могут быть недорогие гибкие экраны.

СВЕТОДИОДНЫЕ ПРИНАДЛЕЖНОСТИ

Рис. 2.37. Светодиодный держатель для установки в панели с защёлкой (Snap-In)	Рис. 2.38. Светодиодные прокладки (Spacers) для монтажа на печатной плате	Рис. 2.39. Двухуровневый корпус для светодиодов с монтажом на печатной плате
Рис. 2.40. Полоска для установки ряда светодиодов для монтажа на печатной плате	Рис. 2.41. Держатель для ряда светодиодов с вертикальным и горизонтальным монтажом	Рис. 2.42. Светодиодные линзы для круглых светодиодов диаметром 3 и 5 мм

СВЕТОДИОДНЫЕ ДИСПЛЕИ (СЕМИСЕГМЕНТНЫЕ)
LED Displays (7 Segment)

Кроме одноцветных и многоцветных светодиодов, для изготовления таких устройств индикации, как шкальные индикаторы, полосы, ряды и семисегментные дисплеи, можно одновременно использовать несколько светоизлучающих диодов. При правильной расшифровке семисегментный светодиодный дисплей обеспечивает очень удобное отображение информации или цифровых данных в виде цифр, букв или буквенноцифровых символов, и, как следует из его названия, он состоит из семи отдельных светодиодов (сегментов), заключённых в один корпус с дисплеем.

Для отображения необходимого числа от 0 до 9 или символа от A до F на экране должно загореться необходимое количество светодиодных сегментов. В стандартном семисегментном светодиодном экране обычно восемь входных соединений: по одному на каждый светодиодный сегмент и одно, которое играет роль общего контакта или соединения для всех внутренних сегментов.

Рис. 2.43

ДИСПЛЕЙ С ОБЩИМ КАТОДОМ (CCD)

В дисплее с общим катодом все катоды светодиодов соединены между собой, и каждый из сегментов загорается при подаче логического сигнала верхнего уровня «1».

ДИСПЛЕЙ С ОБЩИМ АНОДОМ (CAD)

В дисплее с общим анодом все аноды светодиодов соединены между собой, и каждый из сегментов загорается при подаче логического сигнала нижнего уровня «0».

Рис. 2.44

БУКВЕННО-ЦИФРОВОЙ ДИСПЛЕЙ С ОБЩИМ КАТОДОМ

Шестнадцатисегментный (буквенно-цифровой) светодиодный дисплей — модернизация обычного семисегментного дисплея. Он имеет четыре дополнительных диагональных и два вертикальных сегмента (рис. 2.45).

Рис. 2.45

Семисегментные и буквенно-цифровые дисплеи доступны в исполнении для поверхностного монтажа и монтажа в отверстия печатной платы. Стандартные размеры высоты символа следующие:

• в корпусе для монтажа в отверстия печатной платы — 0.3, 0.4, 0.8, 1.5, 1.75 и 2.25 дюйма;
• в корпусе для поверхностного монтажа — 0.2, 0.3, 0.4, 0.56 дюйма.

ВЕДУЩИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛИ СВЕТОДИОДОВ

Avago Technologies www.avagotech.com

Chicago Miniature Lamp Inc. www.cml-it.com/ 

Cree Inc. www.cree.com

Dialight www.dialight.com

Edison Opto www.edison-opto.com.tw

Everlight www.everlight.com

Khatod www.khatod.com

Kingbright www.kingbright.com

Liteon www.liteonit.com

Nichia www.nichia.co.jp/en/

Osram Opto Semiconductors www.osram-os.com

ROHM Semiconductor www.rohm.com

Samsung Semiconductor www.samsung.com

Seoul Semiconductor  www.seoulsemicon.com

Stanley Electric www.stanley-components.com