Статьи и инструкции

Светодиоды и их применение.

Светодиоды и их применение – сравнение и описание типов светодиодов по технологии производства.

Современная автомобильная, и не только, светотехника все больше и шире переходит к использованию светодиодов. На большинстве новых моделей автомобилей не только в задние фонари ставят светодиодные лампы, но и в фары головного света уже ставят вместо ксеноновых ламп светодиодные. Но чем новее технология, тем больше вопросов она вызывает - какие типы светодиодов бывают вообще, какая технология изготовления светодиодных самая надежная? Попробуем в этом разобраться.

Сначала немного теории физики из школьного курса, кому неинтересно, можно этот раздел смело пропустить!  Светодиод — это полупроводниковый прибор, который преобразует энергию электрического тока в свет. Светящимся элементом светодиода является полупроводниковый кристалл, имеющий многослойную структуру из тонких пленок полупроводников с разными типами проводимости — дырочной и электронной. Дырочная проводимость связана с переходом электрона с другого атома на атом со свободным местом. На атом, откуда перешёл электрон, входит другой электрон из другого атома и т. д. Это обуславливается ковалентными связями атомов. Таким образом, происходит перемещение положительного заряда без перемещения самого атома. Этот условный положительный заряд называют дыркой.В зонах контакта разных типов проводимости образуются p-n-переходы. Такие многослойные конструкции называются гетероструктурами. При прохождении электрического тока в области p-n-переходов происходит рекомбинация дырок и электронов (электроны занимают вакантные места — дырки), сопровождаемая излучением света. Это излучение может быть красным, желтым, зеленым или синим — в зависимости от состава полупроводников в гетероструктуре. Гетероструктуры, состоящие из слоев нитрида галлия (GaN) с определенными примесями, излучают синий свет. Излучающий кристалл нитрида галлия с площадками для контактных проводов в светотехнике принято называть чипом. Чип является ключевым компонентом, на базе которого собирается собственно светодиод. Чтобы получить белый свет, на чип наносят люминофор — химическое вещество, которое возбуждается излучением, исходящим от кристалла, и испускает собственное излучение. Это объединяет светодиоды с компактными люминесцентными лампами — внутри трубки также имеется люминофор. Чип покрывают слоем геля на основе силикона с порошком люминофора так, чтобы часть его излучения поглощалась в веществе люминофора и возбуждала его, а часть проходила сквозь люминофор свободно. В результате смешение исходного синего свечения нитрида галлия с желтым свечением люминофора дает белый свет. С помощью разных люминофоров достигается любое значение цветовой температуры излучаемого света. На базе излучающего кристалла, покрытого люминофором и снабженного электрическими контактами, изготавливают сами светодиоды.

В зависимости от технологии сборки в настоящее время различают 4 типа светодиодов:

1. DIP-светодиоды.

Первые светодиоды массового применения появились именно в таком формате. Кристалл помещен в корпус со встроенной оптической системой — специальной линзой, которая формирует нужный световой пучок.  На сегодня это самый массовый тип светодиодов, но он практически не используется в современных высокотехнологичных источниках света. В основном он находит применение в световых табло, подсветках, различных праздничных световых украшениях.

2.  LED – светодиоды или светодиоды типа «пиранья».

Имеют конструкцию аналогичную предшественнику, но их отличие состоит в том, что вывода не 2, а 4. Это улучшает тепло-отвод и дает большую надежность при монтаже. Из-за этого данный тип светодиодов распространен в автомобильной промышленности. В освещении  такие светодиоды сегодня практически не используется из-за своих габаритов и сложности монтажа по сравнению с более современными типами конструкций светодиодов.

3. SMD-светодиоды.

Светодиоды этого типа изготовлены по технологии поверхностного монтажа ТМП (технология монтажа на поверхность) или SMT (surface mount technology). Отсюда его название SMD — surface mounted device — прибор, монтируемый на поверхность.   Основным отличием этой технологии от «традиционной» технологии сквозного монтажа в отверстия является то, что компоненты монтируются на поверхность платы. Это обеспечивает меньшие габариты конструкции, лучший теплоотвод, вариативность исполнения.  Данная конструкция на сегодня является самой распространенной в освещении и используется в источниках света практически всех типов.

4. COB-технология.

COB (Chip-On-Board — чип на плате) — технология, при которой чип кристалла монтируется (прикрепляется, впаивается) в плату, и обеспечиваются высочайшие: надёжность (защищёность контакта от окисления), миниатюрность и теплоотвод. Помимо этого, стоимость производства таких светодиодов ниже по сравнению с SMD-светодиодами.  COB технология впервые была применена в Японии в конце 2000-х годов компаниями Citizen и Sharp. Они же первыми использовали в качестве монтажной платы для светодиода керамическую пластину с низким тепловым сопротивлением. В настоящее время используются как алюминиевые, так и керамические платы, а объем производства светодиодов по этой технологии составляет порядка 20% от всех выпускаемых светодиодов и постоянно растет. Тот факт, что все больше производителей светодиодов во всем мире начинают выпускать COB-светодиоды, говорит о хороших перспективах этой технологии вскоре занять лидирующие позиции в коммерческом и бытовом освещении на многие годы. Но, тем не менее, стоит отметить, что COB-технология не может полностью вытеснить SMD, в силу ряда технических ограничений и недостатков. Например, для профессионального освещения с заданной кривой силы света (для уличного или узконаправленного освещения) технология COB неприменима. Кроме того, если необходим равномерно светящийся источник света (например, потолочный светильник большой площади), лучше использовать много небольших SMD-светодиодов.

В заключение стоит отметить, что светодиодное освещение сегодня становится все более популярным. Высокие темпы роста этого рынка способствуют развитию новых технологий производства светодиодов, и расширяют границы их использования. В современных автомобилях, офисных и жилых помещениях, а также в наружном освещении, и рекламе светодиоды обеспечивают не только экономию затрат на электроэнергию, но и широкие возможности создать высококлассное освещение для жизни, работы и творчества.