Особенности светодиодной технологии, схемы светодиодных устройств, перспективы OLED-светодиодов

Светодиоды вытеснили большинство других технологий в освещении. Благодаря своей универсальности, низкой стоимости и эффективности светодиоды теперь используются в любых приложениях в самых разных случаях: индикаторы состояния, подсветка ЖК-дисплеев, а также освещение помещений или уличное освещение — все это области, в которых теперь более удобно (экономически, а не технологически) использовать светодиоды, а не классические источники излучения света.

Давайте посмотрим на характеристики, которые сделали светодиоды стандартом для источников света и связанных типов приложений.

Физика светодиода

Светодиод — это активный полупроводниковый электронный компонент, основой которого является диод . Фраза «светоизлучающий диод» подчеркивает, что эта технология представляет собой не что иное, как p-n-переход с геометрическими и физическими характеристиками, предназначенный для использования эффекта электролюминесценции полупроводников.

Фактически, при прямом смещении p-n-перехода с соответствующим напряжением, превышающим пороговое (или прямое) напряжение, заряды около перехода перемещаются с одного энергетического уровня на другой.

Когда дырки и электроны рекомбинируют, если выделяемая энергия достаточно высока, будут испускаться фотоны, частота которых (следовательно, цвет) и сила света зависят от физических характеристик материала и от уровня напряжения, приложенного к устройству. Это основа цветных светодиодов.

Помимо цвета излучаемого света, минимальное пороговое напряжение, запускающее ток, также зависит от типа полупроводника, из которого изготовлено устройство. Наиболее часто используемые материалы для изготовления светодиодов — это AlGaAs, GaAlP, GaAsP, SiC, GaN, GaP, Si и C.

Подробнее про устройство светодиодов читайте здесь: Как устроены и работают светодиоды , а про их производство здесь: Как делают светодиоды

Схемы светодиодных устройств

Светодиод — это электронный компонент, управляемый током. По этой причине в цепи управления всегда должно быть предусмотрено сопротивление, ограничивающее ток, без которого единственным сопротивлением было бы внутреннее сопротивление самого перехода. Отказ от ограничения тока может привести к повреждению компонента и отклонению поведения от одного устройства к другому.

Полезная статья на эту тему: Как правильно рассчитать и подобрать резистор для светодиода

На рисунке ниже показана базовая схема управления светодиодом. В этой схеме положительное напряжение подается на базу полевого МОП-транзистора , вызывая прохождение тока между стоком и истоком, тем самым проводя светодиод на сток.

Обратите внимание на наличие ограничивающего резистора. Предполагая, что оптимальный прямой ток компонента равен If , пороговому напряжению Vth и напряжению питания светодиода Vin , номинал ограничивающего резистора рассчитывается как R = ( Vin — Vth ) / If.

Например, классический светодиод, используемый в качестве индикатора состояния питания, может иметь Vth = 1,8 В и If = 20 мА. Предполагая запитать схему напряжениемVin = 5 В, ограничительный резистор будет иметь значение R = (5 — 1,8) / 0,02 = 160 Ом.

Базовая схема драйвера светодиода

Предлагаемая схема используется, когда управление осуществляется через микроконтроллер . В этом случае всегда рекомендуется использовать транзистор (или аналогичный компонент), способный выдерживать прямые токи светодиодов: если компонент был подключен непосредственно к выходу микроконтроллера, риск повреждения микросхемы будут чрезвычайно высокими.

Очевидно, что если есть необходимость управлять мощными светодиодами (которые могут поглощать даже более 3 Вт или 5 Вт), необходимо использовать драйверы, соответствующие требуемому току.

Одной из характеристик, которая позволила светодиодам стать популярными в мире освещения, несомненно, является возможность использования метода широтно-импульсной модуляции (ШИМ) для достижения диммирования, то есть повышения или понижения тока, протекающего в светодиодах (следовательно, при этом регулируется его световой поток).

Этот метод заключается в подаче управляющего сигнала, имеющего прямоугольную форму с переменным рабочим циклом: поэтому используемый ток будет пропорционален времени Ton приложенной волны, что позволяет электронное управление яркостью светодиода.

ШИМ-управление

Подробнее об этом смотрите здесь: Регулирование яркости светодиодов, принципы ШИМ-регулирования

Ясно, что метод ШИМ, который чрезвычайно прост в применении, может оказаться неэффективным, если требуется точная регулировка яркости. Фактически, помните, что, поскольку светодиод является диодом во всех отношениях, его вольт-амперная характеристика нелинейна и, следовательно, изменения тока, полученные путем изменения рабочего цикла, также являются нелинейными.

Чтобы преодолеть этот недостаток, необходимо использовать специально разработанные драйверы светодиодов, обеспечивающие постоянный ток по сравнению с пропорциональным сигналом напряжения. Это решение позволяет избежать непрерывных циклов включения и выключения светящихся компонентов, улучшая как продолжительность работы устройств, так и качество излучаемого света, поскольку при этом он не мерцает.

Еще несколько полезных материалов про схемы подключения светодиодов:

Хорошие и плохие схемы включения светодиодов

Применение светодиодов в электронных схемах

Несколько простых схем питания светодиодов

Как правильно подключить светодиод к осветительной сети

Применение светодиодов

Как упоминалось выше, светодиоды очень универсальны, и это также связано с тем, что доступны разные типы.

Классифицируя их по рассеиваемой мощности (следовательно, по производимому световому потоку), мы можем в основном найти три типа светодиодов: светодиоды малой мощности, светодиоды высокой яркости и светодиоды большой мощности.

Маломощные светодиоды имеют типичный прямой ток 15 мА и используются в качестве индикаторов состояния в электронных устройствах (индикатор включения, состояние соединения, индикатор связи между устройствами и т. д.). Их использование является самым классическим и старым. Угол освещения не важен для этого типа устройств.

Светодиоды высокой яркости имеют типичный прямой ток в диапазоне от 30 мА до 100 мА и могут использоваться в качестве элементов слабого освещения (например, индикаторов пешеходных дорожек), хотя в основном они используются в качестве подсветки сегментных дисплеев и ЖК-панелей. Последнее дало значительный импульс распространению светодиодов, поскольку большинство ЖК-панелей современных телевизоров используют светодиодную подсветку.

RGB-светодиод

Мощные светодиоды имеют прямой ток от 100 мА и выше. Легко представить, что этот тип устройств имеет значительно более высокую стоимость по сравнению с двумя другими категориями, а его тепловые характеристики требуют тщательного проектирования методов охлаждения устройства.

Типичное применение мощных светодиодов — это, несомненно, функциональное и уличное освещение. Одно устройство этого типа может излучать световой поток даже более 350 люмен, а объединив несколько светодиодов, можно получить настоящие уличные фонари. Уличное освещение с помощью светодиодных уличных фонарей — один из краеугольных камней умных городов .

Автономный уличный светодиодный светильник с солнечной панелью

Новые горизонты светодиодов

В последние годы на рынке появилась технология, в которой используются органические компоненты (точнее, пластичные проводящие полимеры), а также электролюминесценция этих материалов.

Это технология, называемая органическими светодиодами (OLED), которая используется в конструкции дисплеев и позволяет создавать тонкие, а значит, гибкие устройства, особенно подходящие для носимых устройств и мобильного мира. В отличие от использования светодиодов в качестве подсветки ЖК-дисплея, OLED образуют активную матрицу самого дисплея!

Гибкие световые панели Luflex, LG OLED сделаны на гибкой пластиковой основе, которая позволяет им изгибаться и скручиваться. Разнообразие форм и размеров этих гибких панелей дает дизайнерам, архитекторам и художникам возможность создавать из них проекты, которые раньше были невозможны:

На сегодняшний день все еще нет эффекта масштаба, способного сделать эту технологию экономически конкурентоспособной, но исследования продвинулись вперед и были разработаны многочисленные производственные процессы (AMOLED, PHOLED, PLED, SM-OLED, SOLED, TOLED).