Πώς είναι διευθετημένα και λειτουργούν τα LED

Οι συσκευές ημιαγωγών που εκπέμπουν φως χρησιμοποιούνται ευρέως για συστήματα φωτισμού και ως δείκτες ηλεκτρικού ρεύματος. Αφορούν ηλεκτρονικές συσκευές που λειτουργούν υπό την εφαρμοζόμενη τάση.

Δεδομένου ότι η αξία του είναι ασήμαντη, οι πηγές αυτές ανήκουν σε συσκευές χαμηλής τάσης και έχουν υψηλό βαθμό ασφάλειας όσον αφορά την επίδραση του ηλεκτρικού ρεύματος στο ανθρώπινο σώμα. Οι κίνδυνοι τραυματισμού αυξάνονται όταν για την φωτισμό τους χρησιμοποιούνται πηγές αυξημένης τάσης, για παράδειγμα, ένα οικιακό οικιακό δίκτυο, το οποίο απαιτεί τη συμπερίληψη ειδικών τροφοδοτικών στο κύκλωμα.

Ένα χαρακτηριστικό γνώρισμα του σχεδιασμού του LED είναι η υψηλότερη μηχανική αντοχή του περιβλήματος από αυτή του Ilyich και των λαμπτήρων φθορισμού. Με σωστή λειτουργία, εργάζονται μακρά και αξιόπιστα. Ο πόρος τους είναι 100 φορές υψηλότερος από αυτόν των νημάτων πυρακτώσεως, φτάνοντας εκατό χιλιάδες ώρες.

Ωστόσο, αυτός ο δείκτης είναι χαρακτηριστικός για τα σχέδια δεικτών. Οι πηγές υψηλής κατανάλωσης χρησιμοποιούν υψηλά ρεύματα για φωτισμό και η διάρκεια ζωής μειώνεται κατά 2-5 φορές.

Συσκευή LED

Μια συμβατική ενδεικτική λυχνία LED γίνεται σε εποξική θήκη με διάμετρο 5 mm και δύο αγωγούς επαφής για σύνδεση σε κυκλώματα ηλεκτρικού ρεύματος: άνοδο και κάθοδο. Οπτικά διαφέρουν σε μήκος. Για μια νέα συσκευή χωρίς επαφές κοπής, η κάθοδος είναι μικρότερη.

Ένας απλός κανόνας βοηθά να θυμάται αυτή τη θέση: και οι δύο λέξεις ξεκινούν με το γράμμα "K":

• κάθοδος.

• εν συντομία.

Όταν τα πόδια της LED αποσυνδέονται, η άνοδος μπορεί να προσδιοριστεί με την εφαρμογή τάσης 1,5 volt από μια απλή μπαταρία δακτύλου στις επαφές: η φωτεινή ένδειξη εμφανίζεται όταν συμπίπτουν οι πολικότητες.

Ο ενεργός μονοκύκλος που εκπέμπει φως ενός ημιαγωγού έχει τη μορφή ορθογώνιου παραλληλεπίπεδου. Τοποθετείται κοντά σε παραβολικό ανακλαστήρα από κράμα αλουμινίου και τοποθετείται σε υπόστρωμα με μη αγώγιμες ιδιότητες.

Στο τέλος μιας διαφανούς διάφανης θήκης κατασκευασμένης από πολυμερή υλικά, υπάρχει μια φακός εστίασης φακού. Αυτό, μαζί με τον ανακλαστήρα, σχηματίζει ένα οπτικό σύστημα που σχηματίζει τη γωνία της ροής ακτινοβολίας. Χαρακτηρίζεται από το μοτίβο κατευθυντικότητας του LED.

Χαρακτηρίζει την απόκλιση του φωτός από τον γεωμετρικό άξονα της συνολικής δομής στις πλευρές, γεγονός που οδηγεί σε αύξηση της σκέδασης. Το φαινόμενο αυτό οφείλεται στην εμφάνιση μικρών παραβιάσεων της τεχνολογίας κατά τη διάρκεια της παραγωγής, καθώς και στη γήρανση των οπτικών υλικών κατά τη λειτουργία και σε ορισμένους άλλους παράγοντες.

Μια αλουμινένια ή ορειχάλκινη ζώνη μπορεί να βρίσκεται στο κάτω μέρος της θήκης, που χρησιμεύει ως ψυγείο για την απομάκρυνση της θερμότητας που παράγεται κατά τη διέλευση του ηλεκτρικού ρεύματος.

Αυτή η αρχή σχεδιασμού είναι ευρέως διαδεδομένη. Στη βάση του, δημιουργούνται και άλλες πηγές φωτός ημιαγωγών χρησιμοποιώντας άλλες μορφές δομικών στοιχείων.

Αρχές εκπομπής φωτός

Η σύνδεση ημιαγωγού τύπου ρ-η συνδέεται με μια πηγή σταθερής τάσης σύμφωνα με την πολικότητα των ακροδεκτών.

Μέσα στο στρώμα επαφής των ουσιών τύπου p και n, κάτω από τη δράση του, αρχίζει η κίνηση ελεύθερων αρνητικά φορτισμένων ηλεκτρονίων και οπών, τα οποία έχουν θετικό σήμα φόρτισης. Αυτά τα σωματίδια κατευθύνονται προς τους πόλους τους.

Στο μεταβατικό στρώμα, τα τέλη ανασυνδυάζονται. Τα ηλεκτρόνια περνούν από τη ζώνη αγωγιμότητας στη ζώνη σθένους, ξεπερνώντας το επίπεδο Fermi.

Λόγω αυτού, ένα μέρος της ενέργειας τους απελευθερώνεται με την απελευθέρωση των κυμάτων φωτός διαφόρων φασμάτων και φωτεινότητας. Η συχνότητα των κυμάτων και η αναπαραγωγή των χρωμάτων εξαρτώνται από τον τύπο των μικτών υλικών από τα οποία κατασκευάζονται p-n.

Για ακτινοβολία φωτός μέσα στην ενεργή ζώνη ενός ημιαγωγού, πρέπει να πληρούνται δύο προϋποθέσεις:

1. Ο χώρος της απαγορευμένης ζώνης σε πλάτος στην ενεργό περιοχή πρέπει να είναι κοντά στην ενέργεια των εκπεμπόμενων ποσοτήτων εντός της περιοχής συχνοτήτων που είναι ορατή στο ανθρώπινο μάτι.

2. Η καθαρότητα των υλικών του κρυστάλλου ημιαγωγού πρέπει να είναι υψηλή και ο αριθμός των ελαττωμάτων που επηρεάζουν τη διαδικασία ανασυνδυασμού είναι το ελάχιστο δυνατό.

Αυτό το δύσκολο τεχνικό πρόβλημα επιλύεται με διάφορους τρόπους. Ένας από αυτούς είναι η δημιουργία πολλών στρώσεων συνδέσεων p-n όταν σχηματίζεται μια σύνθετη ετεροδομή.

Εφέ θερμοκρασίας

Καθώς αυξάνεται το επίπεδο τάσης της πηγής, αυξάνεται το ρεύμα διαμέσου της στιβάδας ημιαγωγού και αυξάνεται η φωταύγεια: ένας αυξημένος αριθμός φορτίων ανά μονάδα χρόνου εισέρχεται στη ζώνη ανασυνδυασμού. Ταυτόχρονα, τα στοιχεία μεταφοράς ρεύματος θερμαίνονται. Η τιμή του είναι κρίσιμη για το υλικό των εσωτερικών αγωγών ρεύματος και για την ουσία της διασταύρωσης pn. Οι υπερβολικές θερμοκρασίες μπορούν να τις βλάψουν, να τις καταστρέψουν.

Μέσα από τα LED, η ενέργεια του ηλεκτρικού ρεύματος περνά στο φως απευθείας, χωρίς περιττές διαδικασίες: όχι σαν με λαμπτήρες με πυρακτώματα. Σε αυτή την περίπτωση, σχηματίζονται ελάχιστες απώλειες χρήσιμης ισχύος λόγω της χαμηλής θέρμανσης των αγώγιμων στοιχείων.

Λόγω αυτού, δημιουργείται υψηλή απόδοση αυτών των πηγών. Αλλά, μπορούν να χρησιμοποιηθούν μόνο όταν η ίδια η κατασκευή είναι προστατευμένη, μπλοκαρισμένη από εξωτερική θέρμανση.

Χαρακτηριστικά των εφέ φωτισμού

Με τον ανασυνδυασμό οπών και ηλεκτρονίων σε διαφορετικές συνθέσεις των ουσιών σύνδεσης pn, δημιουργείται άνιση εκπομπή φωτός. Είναι συνηθισμένο να το χαρακτηρίσουμε με την παράμετρο της κβαντικής απόδοσης - τον αριθμό των εκχυλισμένων ποσοτήτων φωτός για ένα μόνο ανασυνδυασμένο ζεύγος φορτίων.

Δημιουργείται και εμφανίζεται σε δύο επίπεδα της λυχνίας LED:

1. μέσα στην ίδια τη διασταύρωση ημιαγωγών - εσωτερική.

2. στο σχεδιασμό ολόκληρου του LED ως σύνολο - εξωτερικό.

Στο πρώτο επίπεδο, η κβαντική απόδοση ορθά εκτελούμενων μονών κρυστάλλων μπορεί να φτάσει μια τιμή κοντά στο 100%. Αλλά, για να εξασφαλιστεί αυτός ο δείκτης, απαιτείται να δημιουργηθούν μεγάλα ρεύματα και ισχυρή απορρόφηση θερμότητας.

Μέσα στην ίδια την πηγή, στο δεύτερο επίπεδο, μέρος του φωτός διασκορπίζεται και απορροφάται από δομικά στοιχεία, γεγονός που μειώνει τη συνολική απόδοση της ακτινοβολίας. Η μέγιστη τιμή της κβαντικής απόδοσης είναι πολύ μικρότερη. Για τις λυχνίες LED που εκπέμπουν κόκκινο φάσμα, φτάνει το 55% και για το μπλε μειώνεται ακόμα περισσότερο - έως και 35%.

Τύποι μετάδοσης φωτός χρώματος

Οι σύγχρονες λυχνίες LED εκπέμπουν:

• κίτρινο:

• πράσινο

• κόκκινο

• μπλε

• μπλε

• λευκό φως.

Κίτρινο πράσινο, κίτρινο και κόκκινο φάσμα

Η σύνδεση pn βασίζεται σε φωσφίδια του γαλλίου και αρσενίδια. Αυτή η τεχνολογία εφαρμόστηκε στα τέλη της δεκαετίας του '60 για δείκτες ηλεκτρονικών συσκευών και πινακίδων ελέγχου εξοπλισμού μεταφοράς, πινακίδες.

Τέτοιες συσκευές εξόδου φωτός ανέβηκαν αμέσως στις κύριες πηγές φωτός εκείνης της εποχής - λαμπτήρες πυρακτώσεως και τους ξεπέρασαν σε αξιοπιστία, πόρους και ασφάλεια.

Μπλε φάσμα

Οι εκπομπός του μπλε, του μπλε-πράσινου και ιδιαίτερα των λευκών φασμάτων δεν προσφέρθηκαν για πρακτική εφαρμογή για μεγάλο χρονικό διάστημα λόγω των δυσκολιών σύνθετης επίλυσης δύο τεχνικών προβλημάτων:

1. περιορισμένο μέγεθος της απαγορευμένης ζώνης στην οποία πραγματοποιείται ο ανασυνδυασμός.

2. υψηλές απαιτήσεις για την περιεκτικότητα σε ακαθαρσίες.

Για κάθε βήμα αύξησης της φωτεινότητας του μπλε φάσματος, απαιτείται αύξηση της ενέργειας των ποσοτήτων λόγω της επέκτασης του πλάτους της απαγορευμένης ζώνης.

Το ζήτημα επιλύθηκε με την προσθήκη καρβιδίων του πυριτίου SiC ή νιτριδίων στην ουσία των ημιαγωγών. Αλλά, οι εξελίξεις στην πρώτη ομάδα αποδείχτηκαν ότι είχαν πολύ χαμηλή απόδοση και μικρή απόδοση κβαντικής ακτινοβολίας για ένα ανασυνδυασμένο ζεύγος φορτίων.

Η συμπερίληψη στερεών διαλυμάτων σεληνίου ψευδαργύρου στη διασταύρωση ημιαγωγών συνέβαλε στην αύξηση της κβαντικής απόδοσης. Αλλά, τέτοιες λυχνίες LED είχαν υψηλή ηλεκτρική αντίσταση στη διασταύρωση.Λόγω αυτού, υπερθερμάνθηκαν και γρήγορα καίγονται, και οι σύνθετες δομές στην κατασκευή απομάκρυνσης θερμότητας για αυτούς δεν λειτουργούσαν αποτελεσματικά.

Για πρώτη φορά, δημιουργήθηκε μια κυανή λυχνία LED χρησιμοποιώντας λεπτά φύλλα νιτριδίου του γαλλίου που εναποτέθηκαν σε υπόστρωμα σαπφείρου.

Λευκό φάσμα

Για να το αποκτήσετε, χρησιμοποιήστε μία από τις τρεις αναπτυγμένες τεχνολογίες:

1. ανάμειξη χρωμάτων σύμφωνα με τη μέθοδο RGB,

2. Εφαρμογή τριών στρωμάτων κόκκινου, πράσινου και μπλε φωσφόρου στο υπεριώδες LED.

3. επικαλύψτε το μπλε LED με στρώματα από κίτρινο-πράσινο και πράσινο-κόκκινο φωσφόρο.

Στην πρώτη μέθοδο, τρεις μονές κρύσταλλοι τοποθετούνται σε μία απλή μήτρα ταυτόχρονα, κάθε μία εκ των οποίων εκπέμπει το δικό της φάσμα RGB. Λόγω του σχεδιασμού του οπτικού συστήματος με βάση το φακό, αυτά τα χρώματα αναμειγνύονται και η προκύπτουσα έξοδος είναι μια συνολική λευκή απόχρωση.

Σε μια εναλλακτική μέθοδο, η ανάμιξη χρωμάτων συμβαίνει λόγω διαδοχικής ακτινοβολίας με υπεριώδη ακτινοβολία των τριών συστατικών φωσφορωδών στρωμάτων.

Χαρακτηριστικά της τεχνολογίας λευκού φάσματος

RGB τεχνική

Σας επιτρέπει:

• περιλαμβάνουν διάφορους συνδυασμούς μονών κρυστάλλων στον αλγόριθμο ελέγχου φωτισμού, συνδέοντάς τις εναλλάξ με το χέρι ή με ένα αυτοματοποιημένο πρόγραμμα.

• προκαλούν διάφορες αποχρώσεις χρώματος που αλλάζουν με την πάροδο του χρόνου.

• δημιουργούν θεαματικά συστήματα φωτισμού για τη διαφήμιση.

Ένα απλό παράδειγμα μιας τέτοιας εφαρμογής είναι χρωματιστές χριστουγεννιάτικες γιρλάντες. Παρόμοιοι αλγόριθμοι χρησιμοποιούνται επίσης ευρέως από τους σχεδιαστές.

Τα μειονεκτήματα των LED RGB είναι:

• ετερογενές χρώμα του φωτεινού σημείου στο κέντρο και τις άκρες.

• ανομοιόμορφη θέρμανση και αφαίρεση θερμότητας από την επιφάνεια της μήτρας, οδηγώντας σε διαφορετικούς ρυθμούς γήρανσης των συνδέσεων p-n, επηρεάζοντας την εξισορρόπηση χρωμάτων, αλλάζοντας την συνολική ποιότητα του λευκού φάσματος.

Αυτά τα μειονεκτήματα προκαλούνται από την διαφορετική διάταξη μονών κρυστάλλων στην επιφάνεια βάσης. Είναι δύσκολο να διορθωθούν και να διαμορφωθούν. Λόγω αυτής της τεχνολογίας, τα μοντέλα RGB είναι από τα πιο πολύπλοκα και δαπανηρά σχέδια.

LED με φωσφόρο

Είναι απλούστεροι στο σχεδιασμό, φθηνότεροι στην κατασκευή, πιο οικονομικοί όταν μετατρέπονται σε μονάδες ακτινοβολίας φωτεινής ροής.

Χαρακτηρίζονται από μειονεκτήματα:

• στο στρώμα φωσφόρου υπάρχουν απώλειες φωτεινής ενέργειας, οι οποίες μειώνουν την απόδοση φωτός.

• η πολυπλοκότητα της τεχνολογίας για την εφαρμογή ομοιόμορφου στρώματος φωσφόρου επηρεάζει την ποιότητα της θερμοκρασίας χρώματος ·

• Ο φωσφόρος έχει μικρότερη διάρκεια ζωής από το ίδιο το LED και γερνάει γρηγορότερα κατά τη χρήση.

Χαρακτηριστικά των LEDs διαφορετικών σχεδίων

Τα μοντέλα Phosphor και τα προϊόντα RGB δημιουργούνται για διάφορες βιομηχανικές και οικιακές εφαρμογές.

Διατροφικές μέθοδοι

Η ενδεικτική λυχνία των πρώτων απελευθερώσεων μάζας καταναλώνει περίπου 15 mA όταν τροφοδοτείται από ελαφρώς χαμηλότερη τιμή από δύο βολτ σταθερής τάσης. Τα σύγχρονα προϊόντα έχουν βελτιωμένα χαρακτηριστικά: μέχρι τέσσερα βολτ και 50 mA.

Οι λυχνίες LED για φωτισμό τροφοδοτούνται από την ίδια τάση, αλλά καταναλώνουν ήδη αρκετές εκατοντάδες milliamps. Οι κατασκευαστές αναπτύσσουν τώρα ενεργά και σχεδιάζουν συσκευές μέχρι 1 Α.

Προκειμένου να αυξηθεί η αποδοτικότητα της εξόδου φωτός, δημιουργούνται μονάδες LED που μπορούν να χρησιμοποιούν διαδοχική παροχή τάσης σε κάθε στοιχείο. Στην περίπτωση αυτή, η τιμή του αυξάνεται σε 12 ή 24 βολτ.

Κατά την εφαρμογή τάσης στο LED, πρέπει να ληφθεί υπόψη η πολικότητα. Όταν σπάσει, το ρεύμα δεν περάσει και δεν θα υπάρξει λάμψη. Εάν χρησιμοποιείται εναλλασσόμενο ημιτονοειδές σήμα, τότε η λάμψη εμφανίζεται μόνο όταν μεταδίδεται ένα θετικό μισό κύμα. Επιπλέον, η ισχύς του επίσης αναλογικά αλλάζει σύμφωνα με το νόμο της εμφάνισης του αντίστοιχου σημερινού μεγέθους με μία πολική κατεύθυνση.

Θα πρέπει να ληφθεί υπόψη ότι με αντίστροφη τάση, είναι δυνατή η διάσπαση μιας διασταύρωσης ημιαγωγού. Εμφανίζεται όταν υπερβαίνει τα 5 βολτ σε ένα μόνο κρύσταλλο.

Τρόποι διαχείρισης

Για να ρυθμίσετε τη φωτεινότητα του εκπεμπόμενου φωτός, χρησιμοποιείται μία από τις δύο μεθόδους ελέγχου:

1. το μέγεθος της συνδεδεμένης τάσης.

2. χρησιμοποιώντας Ρύθμιση πλάτους παλμού - PWM.

Η πρώτη μέθοδος είναι απλή αλλά αναποτελεσματική. Όταν το επίπεδο τάσης πέσει κάτω από ένα συγκεκριμένο όριο, η λυχνία LED μπορεί απλά να σβήσει.

Η μέθοδος PWM εξαλείφει αυτό το φαινόμενο, αλλά είναι πολύ πιο περίπλοκο στην τεχνική εφαρμογή. Το ρεύμα που διέρχεται από τη σύνδεση ημιαγωγού του μονοκρύσταλλου παρέχεται όχι με σταθερό σχήμα, αλλά με παλμική υψηλή συχνότητα με τιμή από αρκετές εκατοντάδες έως χίλιες hertz.

Αλλάζοντας το πλάτος των παλμών και τις παύσεις μεταξύ τους (η διαδικασία ονομάζεται διαμόρφωση), η φωτεινότητα της λάμψης ρυθμίζεται σε ένα ευρύ φάσμα. Ο σχηματισμός αυτών των ρευμάτων μέσω μονών κρυστάλλων πραγματοποιείται από ειδικές προγραμματιζόμενες μονάδες ελέγχου με σύνθετους αλγορίθμους.

Φάσμα εκπομπών

Η συχνότητα της ακτινοβολίας που αναδύεται από το LED βρίσκεται σε μια πολύ στενή περιοχή. Ονομάζεται μονοχρωματική. Είναι θεμελιωδώς διαφορετικό από το φάσμα των κυμάτων που προέρχονται από τον Ήλιο ή από τα πυρακτώματα των συνηθισμένων λαμπτήρων.

Υπάρχει πολλή συζήτηση σχετικά με την επίδραση τέτοιου φωτισμού στο ανθρώπινο μάτι. Ωστόσο, τα αποτελέσματα σοβαρών επιστημονικών αναλύσεων αυτού του θέματος είναι άγνωστα για εμάς.

Παραγωγή

Στην κατασκευή LED, χρησιμοποιείται μόνο μια αυτόματη γραμμή, στην οποία τα ρομπότ λειτουργούν σύμφωνα με μια προκαθορισμένη τεχνολογία.

Η φυσική χειρωνακτική εργασία ενός ατόμου αποκλείεται εντελώς από τη διαδικασία παραγωγής.

Οι εκπαιδευμένοι ειδικοί ασκούν μόνο τον έλεγχο της σωστής πορείας της τεχνολογίας.

Η ανάλυση της ποιότητας των προϊόντων είναι επίσης η ευθύνη τους.