Wie die LEDs angeordnet sind und funktionieren

Licht emittierende Halbleiterbauelemente werden häufig für Beleuchtungssysteme und als Indikatoren für elektrischen Strom verwendet. Sie beziehen sich auf elektronische Geräte, die unter der angelegten Spannung arbeiten.

Da sein Wert unbedeutend ist, gehören solche Quellen zu Niederspannungsgeräten, sie haben ein erhöhtes Maß an Sicherheit hinsichtlich der Wirkung von elektrischem Strom auf den menschlichen Körper. Das Verletzungsrisiko steigt, wenn Quellen erhöhter Spannung, z. B. ein Haushaltsnetz, für das spezielle Stromversorgungen in den Stromkreis eingebaut werden müssen, zur Beleuchtung verwendet werden.

Ein charakteristisches Merkmal des LED-Designs ist eine höhere mechanische Festigkeit des Gehäuses als bei Illich- und Leuchtstofflampen. Bei ordnungsgemäßem Betrieb arbeiten sie lange und zuverlässig. Ihre Ressource ist 100-mal höher als die von Glühfilamenten und erreicht hunderttausend Stunden.

Dieser Indikator ist jedoch charakteristisch für Indikatorentwürfe. Hochleistungsquellen verbrauchen hohe Ströme für die Beleuchtung und die Lebensdauer wird um das 2- bis 5-fache reduziert.

LED-Gerät

Eine herkömmliche Anzeige-LED besteht aus einem Epoxidgehäuse mit einem Durchmesser von 5 mm und zwei Kontaktleitungen zum Anschluss an Stromkreise: Anode und Kathode. Optisch unterscheiden sie sich in der Länge. Bei einem neuen Gerät ohne Schnittkontakte ist die Kathode kürzer.

Eine einfache Regel hilft, sich an diese Position zu erinnern: Beide Wörter beginnen mit dem Buchstaben „K“:

• Kathode;

• kurz gesagt.

Wenn die Beine der LED abgeschnitten sind, kann die Anode bestimmt werden, indem 1,5 Volt Spannung von einer einfachen Fingerbatterie an die Kontakte angelegt werden: Das Licht erscheint, wenn die Polaritäten übereinstimmen.

Der lichtemittierende aktive Einkristall eines Halbleiters hat die Form eines rechteckigen Parallelepipeds. Es befindet sich in der Nähe eines Parabolreflektors aus einer Aluminiumlegierung und ist auf einem Substrat mit nicht leitenden Eigenschaften montiert.

Am Ende eines transparenten transparenten Gehäuses aus Polymermaterialien befindet sich eine Linse, die Lichtstrahlen fokussiert. Es bildet zusammen mit dem Reflektor ein optisches System, das den Winkel des Strahlungsflusses bildet. Es zeichnet sich durch das Richtcharakteristikmuster der LED aus.

Es charakterisiert die Abweichung des Lichts von der geometrischen Achse der Gesamtstruktur zu den Seiten, was zu einer Zunahme der Streuung führt. Dieses Phänomen tritt aufgrund des Auftretens kleiner Verstöße gegen die Technologie während der Produktion sowie der Alterung optischer Materialien während des Betriebs und einiger anderer Faktoren auf.

Ein Aluminium- oder Messingband kann sich am Boden des Gehäuses befinden und als Kühler dienen, um die beim Durchgang von elektrischem Strom erzeugte Wärme abzuleiten.

Dieses Konstruktionsprinzip ist weit verbreitet. Auf seiner Basis werden auch andere Halbleiterlichtquellen unter Verwendung anderer Formen von Strukturelementen erzeugt.

Prinzipien der Lichtemission

Der pn-Halbleiterübergang ist gemäß der Polarität der Anschlüsse mit einer Konstantspannungsquelle verbunden.

Innerhalb der Kontaktschicht von Substanzen vom p- und n-Typ beginnt unter ihrer Wirkung die Bewegung von frei negativ geladenen Elektronen und Löchern, die ein positives Ladungszeichen haben. Diese Teilchen sind auf ihre Pole gerichtet.

In der Übergangsschicht rekombinieren die Ladungen. Elektronen wandern vom Leitungsband zum Valenzband und überwinden das Fermi-Niveau.

Aufgrund dessen wird ein Teil ihrer Energie durch die Freisetzung von Lichtwellen mit verschiedenen Spektren und Helligkeiten freigesetzt. Wellenfrequenz und Farbwiedergabe hängen von der Art der gemischten Materialien ab, aus denen sie bestehen p-n-Übergang.

Für die Strahlung von Licht innerhalb der aktiven Zone eines Halbleiters müssen zwei Bedingungen erfüllt sein:

1. Der Raum der verbotenen Zone in der Breite im aktiven Bereich sollte nahe an der Energie der emittierten Quanten innerhalb des für das menschliche Auge sichtbaren Frequenzbereichs liegen.

2. Die Reinheit der Materialien des Halbleiterkristalls muss hoch sein, und die Anzahl der Defekte, die den Rekombinationsprozess beeinflussen, ist so gering wie möglich.

Dieses schwierige technische Problem wird auf verschiedene Weise gelöst. Eine davon ist die Erzeugung mehrerer Schichten von pn-Übergängen, wenn eine komplexe Heterostruktur gebildet wird.

Temperatureffekt

Mit zunehmendem Spannungspegel der Quelle steigt der Strom durch die Halbleiterschicht und die Lumineszenz: Eine erhöhte Anzahl von Ladungen pro Zeiteinheit tritt in die Rekombinationszone ein. Gleichzeitig werden stromführende Elemente erwärmt. Sein Wert ist entscheidend für das Material der internen Stromleiter und die Substanz des pn-Übergangs. Übermäßige Temperaturen können sie beschädigen, zerstören.

Innerhalb der LEDs gelangt die Energie des elektrischen Stroms ohne unnötige Prozesse direkt in das Licht: nicht wie bei Lampen mit Glühlampen. In diesem Fall entstehen aufgrund der geringen Erwärmung der leitenden Elemente minimale Nutzleistungsverluste.

Dadurch entsteht eine hohe Effizienz dieser Quellen. Sie können jedoch nur verwendet werden, wenn die Struktur selbst geschützt und vor externer Heizung geschützt ist.

Merkmale von Lichteffekten

Bei der Rekombination von Löchern und Elektronen in unterschiedlichen Zusammensetzungen der pn-Übergangssubstanzen wird eine ungleiche Lichtemission erzeugt. Es ist üblich, es durch den Parameter der Quantenausbeute zu charakterisieren - die Anzahl der extrahierten Lichtquanten für ein einzelnes rekombiniertes Ladungspaar.

Es wird gebildet und tritt auf zwei Ebenen der LED auf:

1. innerhalb des Halbleiterübergangs selbst - intern;

2. im Design der gesamten LED als Ganzes - extern.

Auf der ersten Ebene kann die Quantenausbeute korrekt ausgeführter Einkristalle einen Wert nahe 100% erreichen. Um diesen Indikator zu gewährleisten, müssen jedoch große Ströme und eine starke Wärmeableitung erzeugt werden.

Innerhalb der Quelle selbst wird auf der zweiten Ebene ein Teil des Lichts von Strukturelementen gestreut und absorbiert, was die Gesamtstrahlungseffizienz verringert. Der Maximalwert der Quantenausbeute ist viel geringer. Bei LEDs, die ein rotes Spektrum emittieren, beträgt sie nicht mehr als 55%, bei Blau sogar noch mehr - bis zu 35%.

Arten der Farblichtdurchlässigkeit

Moderne LEDs senden aus:

• gelb:

• grün

• rot

• blau

• blau

• weißes Licht.

Gelbgrünes, gelbes und rotes Spektrum

Der pn-Übergang basiert auf Galliumphosphiden und Arseniden. Diese Technologie wurde Ende der 60er Jahre für Indikatoren für elektronische Geräte und Bedienfelder von Transportgeräten und Werbetafeln implementiert.

Solche Lichtausgabegeräte überholten sofort die Hauptlichtquellen dieser Zeit - Glühlampen - und übertrafen sie in Bezug auf Zuverlässigkeit, Ressourcen und Sicherheit.

Blaues Spektrum

Die Emitter der blauen, blaugrünen und insbesondere weißen Spektren ließen sich aufgrund der Schwierigkeiten bei der komplexen Lösung zweier technischer Probleme lange Zeit nicht praktikabel umsetzen:

1. begrenzte Größe der verbotenen Zone, in der die Rekombination durchgeführt wird;

2. hohe Anforderungen an den Gehalt an Verunreinigungen.

Für jeden Schritt zum Erhöhen der Helligkeit des blauen Spektrums war es notwendig, die Energie der Quanten durch Erweitern der Breite der verbotenen Zone zu erhöhen.

Das Problem wurde durch den Einschluss von Siliciumcarbiden SiC oder Nitriden in die Halbleitersubstanz gelöst. Es stellte sich jedoch heraus, dass die Entwicklungen der ersten Gruppe einen zu geringen Wirkungsgrad und eine geringe Ausbeute an Quantenstrahlung für ein rekombiniertes Ladungspaar aufwiesen.

Der Einschluss fester Zinkselenidlösungen in den Halbleiterübergang trug zur Erhöhung der Quantenausbeute bei. Solche LEDs hatten jedoch einen erhöhten elektrischen Widerstand an der Verbindungsstelle.Aufgrund dessen überhitzten sie sich und brannten schnell aus, und die komplexen Strukturen bei der Herstellung der Wärmeableitung funktionierten für sie nicht effektiv.

Zum ersten Mal wurde eine blaue LED unter Verwendung dünner Filme aus Galliumnitrid erzeugt, die auf einem Saphirsubstrat abgeschieden wurden.

Weißes Spektrum

Verwenden Sie eine von drei entwickelten Technologien, um es zu erhalten:

1. Farbmischung nach der RGB-Methode;

2. Aufbringen von drei Schichten rotem, grünem und blauem Leuchtstoff auf die ultraviolette LED;

3. Beschichten Sie die blaue LED mit Schichten aus gelbgrünem und grünrotem Leuchtstoff.

Bei der ersten Methode werden drei Einkristalle gleichzeitig auf eine einzelne Matrix gelegt, von denen jeder sein eigenes RGB-Spektrum emittiert. Aufgrund des Designs des auf Linsen basierenden optischen Systems werden diese Farben gemischt und die resultierende Ausgabe ist ein totaler Weißton.

Bei einem alternativen Verfahren tritt eine Farbmischung aufgrund einer sukzessiven Bestrahlung der drei Leuchtstoffbestandteile mit ultravioletter Strahlung auf.

Merkmale der Weißspektrumtechnologie

RGB-Technik

Es ermöglicht Ihnen:

• verschiedene Kombinationen von Einkristallen in den Beleuchtungssteuerungsalgorithmus einbeziehen und diese abwechselnd manuell oder mit einem automatisierten Programm verbinden;

• verursachen verschiedene Farbtöne, die sich im Laufe der Zeit ändern;

• Erstellen Sie spektakuläre Beleuchtungssysteme für Werbung.

Ein einfaches Beispiel für eine solche Implementierung ist Farbe Weihnachtsgirlanden. Ähnliche Algorithmen werden auch häufig von Designern verwendet.

Die Nachteile von RGB-LEDs sind:

• heterogene Farbe des Lichtflecks in der Mitte und an den Kanten;

• ungleichmäßige Erwärmung und Wärmeabfuhr von der Matrixoberfläche, was zu unterschiedlichen Alterungsraten von pn-Übergängen führt, die den Farbausgleich beeinflussen und die Gesamtqualität des Weißspektrums verändern.

Diese Nachteile werden durch die unterschiedliche Anordnung von Einkristallen auf der Basisoberfläche verursacht. Sie sind schwer zu reparieren und zu konfigurieren. Aufgrund dieser Technologie gehören RGB-Modelle zu den komplexesten und teuersten Designs.

LEDs mit Leuchtstoff

Sie sind einfacher im Design, billiger in der Herstellung und wirtschaftlicher, wenn sie in Strahlungseinheiten mit Lichtstrom umgewandelt werden.

Sie zeichnen sich durch Nachteile aus:

• in der Leuchtstoffschicht gibt es Verluste an Lichtenergie, die die Lichtleistung verringern;

• Die Komplexität der Technologie zum Aufbringen einer gleichmäßigen Leuchtstoffschicht beeinflusst die Farbtemperaturqualität.

• Der Leuchtstoff hat eine kürzere Lebensdauer als die LED selbst und altert während des Gebrauchs schneller.

Merkmale von LEDs unterschiedlicher Bauart

Phosphormodelle und RGB-Produkte werden für verschiedene industrielle und häusliche Anwendungen entwickelt.

Ernährungsmethoden

Die Anzeige-LED der ersten Massenfreigabe verbraucht etwa 15 mA, wenn sie mit einem etwas niedrigeren Wert als zwei Volt konstanter Spannung betrieben wird. Moderne Produkte haben verbesserte Eigenschaften: bis zu vier Volt und 50 mA.

LEDs für die Beleuchtung werden mit der gleichen Spannung betrieben, verbrauchen aber bereits mehrere hundert Milliampere. Die Hersteller entwickeln und entwerfen derzeit aktiv Geräte bis zu 1 A.

Um die Effizienz der Lichtleistung zu erhöhen, werden LED-Module erstellt, die eine sequentielle Spannungsversorgung für jedes Element verwenden können. In diesem Fall steigt sein Wert auf 12 oder 24 Volt.

Beim Anlegen einer Spannung an die LED muss die Polarität berücksichtigt werden. Wenn es unterbrochen ist, fließt der Strom nicht und es gibt kein Glühen. Wenn ein alternierendes sinusförmiges Signal verwendet wird, tritt das Glühen nur auf, wenn eine positive Halbwelle durchgeht. Darüber hinaus ändert sich auch seine Stärke proportional gemäß dem Gesetz des Auftretens der entsprechenden Stromgröße mit einer polaren Richtung.

Es ist zu beachten, dass bei einer Sperrspannung ein Durchbruch eines Halbleiterübergangs möglich ist. Es tritt auf, wenn 5 Volt an einem Einkristall überschritten werden.

Verwaltungsmethoden

Um die Helligkeit des emittierten Lichts einzustellen, wird eine von zwei Steuermethoden verwendet:

1. die Größe der angeschlossenen Spannung;

2. mit Pulsweitenmodulation - PWM.

Die erste Methode ist einfach, aber ineffizient. Wenn der Spannungspegel unter einen bestimmten Schwellenwert fällt, kann die LED einfach erlöschen.

Das PWM-Verfahren beseitigt dieses Phänomen, ist jedoch bei der technischen Implementierung viel komplizierter. Der durch den Halbleiterübergang des Einkristalls fließende Strom wird nicht durch eine konstante Form geliefert, sondern durch eine gepulste Hochfrequenz mit einem Wert von mehreren hundert bis tausend Hertz.

Durch Ändern der Breite der Impulse und der Pausen zwischen ihnen (der Vorgang wird als Modulation bezeichnet) wird die Helligkeit des Glühens über einen weiten Bereich eingestellt. Die Bildung dieser Ströme durch Einkristalle erfolgt durch spezielle programmierbare Steuergeräte mit komplexen Algorithmen.

Emissionsspektrum

Die Frequenz der von der LED austretenden Strahlung liegt in einem sehr engen Bereich. Es heißt monochromatisch. Es unterscheidet sich grundlegend von dem von der Sonne ausgehenden Wellenspektrum oder den Glühfilamenten gewöhnlicher Glühbirnen.

Über die Wirkung einer solchen Beleuchtung auf das menschliche Auge wird viel diskutiert. Die Ergebnisse seriöser wissenschaftlicher Analysen zu diesem Thema sind uns jedoch nicht bekannt.

Produktion

Bei der Herstellung von LEDs wird nur eine automatische Linie verwendet, in der Robotermaschinen nach einer vorgefertigten Technologie arbeiten.

Die körperliche Handarbeit einer Person ist vollständig vom Produktionsprozess ausgeschlossen.

Geschulte Fachkräfte kontrollieren nur den korrekten technologischen Verlauf.

Die Analyse der Qualität von Produkten liegt ebenfalls in ihrer Verantwortung.