Cum sunt aranjate și funcționate ledurile

Dispozitivele cu semiconductor cu lumină sunt utilizate pe scară largă pentru sistemele de iluminat și ca indicatori ai curentului electric. Ele se referă la dispozitivele electronice care funcționează sub tensiunea aplicată.

Deoarece valoarea sa este nesemnificativă, astfel de surse aparțin dispozitivelor de joasă tensiune, ele au un grad crescut de siguranță în ceea ce privește efectul curentului electric asupra corpului uman. Riscurile de rănire cresc atunci când sursele de tensiune crescută, de exemplu, o rețea de gospodărie, care necesită includerea unor surse de alimentare speciale în circuit, sunt folosite pentru a le aprinde.

O caracteristică distinctivă a proiectării LED-ului este o rezistență mecanică mai mare a carcasei decât cea a lămpilor Illich și fluorescente. Cu o funcționare adecvată, lucrează mult și în mod fiabil. Resursa lor este de 100 de ori mai mare decât cea a filamentelor incandescente, ajungând la o sută de mii de ore.

Cu toate acestea, acest indicator este caracteristic pentru proiectările indicatorilor. Sursele de mare putere utilizează curenți mari pentru iluminat, iar durata de utilizare este redusă de 2–5 ori.

Dispozitiv LED

Un indicator indicator LED convențional este realizat într-o carcasă epoxidică cu un diametru de 5 mm și două conducte de contact pentru conectarea la circuitele de curent electric: anod și catod. Vizual diferă în lungime. Pentru un dispozitiv nou fără contacte tăiate, catodul este mai scurt.

O regulă simplă ajută la amintirea acestei poziții: ambele cuvinte încep cu litera „K”:

• catod;

• pe scurt.

Când picioarele LED-ului sunt tăiate, anodul poate fi determinat prin aplicarea a 1,5 volți de tensiune de la o simplă baterie cu degetul la contacte: lumina apare atunci când polaritățile coincid.

Lumina care emite un singur cristal activ al unui semiconductor are forma unui paralelipiped dreptunghiular. Este așezat lângă un reflector parabolic din aliaj de aluminiu și montat pe un substrat cu proprietăți ne conductoare.

La capătul unei carcase transparente din materiale polimerice, există o lentilă care focalizează razele de lumină. Acesta, împreună cu reflectorul, formează un sistem optic care formează unghiul fluxului de radiații. Se caracterizează prin modelul de directivitate al LED-ului.

Caracterizează abaterea luminii de la axa geometrică a structurii generale către părți, ceea ce duce la o creștere a împrăștierii. Acest fenomen apare din cauza apariției unor mici încălcări ale tehnologiei în timpul producției, precum și a îmbătrânirii materialelor optice în timpul funcționării și a altor alți factori.

O centură de aluminiu sau alamă poate fi amplasată în partea inferioară a carcasei, servind ca un radiator pentru a îndepărta căldura generată în timpul trecerii curentului electric.

Acest principiu de proiectare este răspândit. Pe baza sa, alte surse de lumină semiconductoare sunt de asemenea create folosind alte forme de elemente structurale.

Principiile emisiilor de lumină

Joncțiunea semiconductor de tip p-n este conectată la o sursă de tensiune constantă în conformitate cu polaritatea bornelor.

În interiorul stratului de contact al substanțelor tip p și n, sub acțiunea sa, începe mișcarea electronilor și găurilor libere încărcate negativ, care au un semn de încărcare pozitivă. Aceste particule sunt direcționate către poli.

În stratul de tranziție, sarcinile se recombină. Electronii trec de la banda de conducere la banda de valență, depășind nivelul Fermi.

Datorită acestui fapt, o parte din energia lor este eliberată odată cu eliberarea undelor de lumină de diferite spectre și luminozitate. Frecvența undelor și reproducerea culorii depind de tipul de materiale mixte din care este fabricat p-n joncțiune.

Pentru radiații de lumină în zona activă a unui semiconductor, trebuie îndeplinite două condiții:

1. spațiul zonei interzise în lățime în regiunea activă ar trebui să fie aproape de energia cantității emise în intervalul de frecvență vizibil pentru ochiul uman;

2. Puritatea materialelor cristalului de semiconductor trebuie să fie mare, iar numărul de defecte care afectează procesul de recombinare este minim posibil.

Această problemă tehnică dificilă este rezolvată în mai multe moduri. Una dintre ele este crearea mai multor straturi de joncțiuni p-n atunci când se formează o heterostructură complexă.

Efectul temperaturii

Pe măsură ce nivelul de tensiune al sursei crește, curentul prin stratul de semiconductor crește și luminiscența crește: un număr crescut de sarcini pe unitatea de timp intră în zona de recombinare. În același timp, elementele purtătoare de curent sunt încălzite. Valoarea sa este critică pentru materialul conductoarelor de curent intern și substanța joncțiunii pn. Temperaturile excesive le pot deteriora, distruge.

În interiorul LED-urilor, energia curentului electric trece în lumină direct, fără procese inutile: nu ca în cazul lămpilor cu filamente incandescente. În acest caz, se produc pierderi minime de putere utilă datorită încălzirii reduse a elementelor conductoare.

Datorită acestui fapt, este creată o eficiență ridicată a acestor surse. Acestea pot fi folosite numai acolo unde structura în sine este protejată, blocată de încălzirea externă.

Caracteristici ale efectelor de iluminare

La recombinarea găurilor și a electronilor în diferite compoziții ale substanțelor de joncțiune pn, se creează o emisie inegală de lumină. Este obișnuit să o caracterizăm după parametrul randamentului cuantic - numărul de cante de lumină extrasă pentru o singură pereche de sarcini recombinate.

Este format și are loc la două niveluri ale LED-ului:

1. în interiorul joncțiunii semiconductor în sine - intern;

2. în proiectarea întregului LED în ansamblu - extern.

La primul nivel, randamentul cuantic al cristalelor unice executate corect poate atinge o valoare apropiată de 100%. Dar, pentru a asigura acest indicator, este necesar să se creeze curenți mari și o disipare puternică a căldurii.

În interiorul sursei, la al doilea nivel, o parte din lumină este împrăștiată și absorbită de elemente structurale, ceea ce reduce eficiența totală a radiațiilor. Valoarea maximă a randamentului cuantic este mult mai mică. Pentru LED-urile care emit un spectru roșu, acestea nu ating mai mult de 55%, în timp ce pentru albastru scade și mai mult - până la 35%.

Tipuri de transmisie a luminii color

LED-urile moderne emit:

• galben:

• verde;

• roșu;

• albastru;

• albastru;

• lumina albă.

Spectru galben verde, galben și roșu

Joncțiunea pn se bazează pe fosfide de galiu și arsenide. Această tehnologie a fost implementată la sfârșitul anilor 60 pentru indicatori de dispozitive electronice și panouri de control ale echipamentelor de transport, panouri.

Astfel de dispozitive de ieșire a luminii au depășit imediat principalele surse de lumină din acea vreme - lămpi incandescente și le-au depășit în ceea ce privește fiabilitatea, resursele și siguranța.

Spectrul albastru

Emitenții spectrelor albastre, albastre-verzi și, în special, albe, nu s-au împrumutat de mult timp pentru implementarea practică din cauza dificultăților rezolvării complexe a două probleme tehnice:

1. dimensiunea limitată a zonei interzise în care se realizează recombinarea;

2. cerințe ridicate pentru conținutul de impurități.

Pentru fiecare etapă de creștere a luminozității spectrului albastru, a fost necesară o creștere a energiei quanta datorită extinderii lățimii zonei interzise.

Problema a fost rezolvată prin includerea de carburi de siliciu SiC sau nitruri în substanța semiconductor. Dar, evoluțiile primului grup s-au dovedit a avea o eficiență prea mică și un randament mic de radiații cuantice pentru o pereche de sarcini recombinate.

Includerea soluțiilor solide de selenidă de zinc în joncțiunea cu semiconductor a contribuit la creșterea randamentului cuantic. Dar, astfel de LED-uri au avut o rezistență electrică crescută la joncțiune.Din această cauză, s-au supraîncălzit și au ars rapid, iar structurile complexe din fabricarea eliminării căldurii pentru ei nu au funcționat eficient.

Pentru prima dată, un LED albastru a fost creat folosind pelicule subțiri de nitrură de galiu depuse pe un substrat de safir.

Spectrul alb

Pentru a obține, utilizați una dintre cele trei tehnologii dezvoltate:

1. amestecarea culorilor conform metodei RGB;

2. aplicarea a trei straturi de fosfor roșu, verde și albastru pe LED-ul ultraviolet;

3. acoperirea LED-ului albastru cu straturi de fosfor galben-verde și verde-roșu.

În prima metodă, trei cristale individuale sunt plasate simultan pe o singură matrice, fiecare emițând propriul spectru RGB. Datorită proiectării sistemului optic bazat pe lentile, aceste culori sunt amestecate, iar rezultatul rezultat este o nuanță albă totală.

Într-o metodă alternativă, amestecarea culorilor se datorează iradierii succesive cu radiații ultraviolete ale celor trei straturi constitutive de fosfor.

Caracteristici ale tehnologiei cu spectru alb

Tehnica RGB

Vă permite să:

• implică diverse combinații de cristale individuale în algoritmul de control al iluminării, conectându-le alternativ manual sau cu un program automat;

• provoacă diverse nuanțe de culoare care se schimbă în timp;

• creați sisteme de iluminare spectaculoase pentru publicitate.

Un exemplu simplu de astfel de implementare este culoare ghirlande de Crăciun. Algoritmi similari sunt de asemenea folosiți pe scară largă de designeri.

Dezavantajele LED-urilor RGB sunt:

• culoare eterogenă a punctului luminos din centru și margini;

• încălzirea neuniformă și îndepărtarea căldurii de pe suprafața matricei, ceea ce duce la diferite rate de îmbătrânire a joncțiunilor p-n, afectând echilibrarea culorilor, modificând calitatea generală a spectrului alb.

Aceste dezavantaje sunt cauzate de dispunerea diferită a cristalelor unice pe suprafața de bază. Sunt dificil de fixat și configurat. Datorită acestei tehnologii, modelele RGB sunt printre cele mai complexe și mai scumpe modele.

LED-uri cu fosfor

Acestea sunt mai simple în design, mai ieftine la fabricare, mai economice atunci când sunt convertite în unități de radiație cu flux luminos.

Se caracterizează prin dezavantaje:

• în stratul de fosfor există pierderi de energie lumină, care reduc producția de lumină;

• complexitatea tehnologiei de aplicare a unui strat uniform de fosfor afectează calitatea temperaturii culorii;

• Fosforul are o durată de viață mai scurtă decât LED-ul în sine și îmbătrânește mai repede în timpul utilizării.

Caracteristici ale LED-urilor de diferite modele

Modelele fosfor și produsele RGB sunt create pentru diferite aplicații industriale și interne.

Metode de nutriție

LED-ul indicator al primelor degajări de masă a consumat aproximativ 15 mA atunci când este alimentat cu o valoare puțin mai mică decât doi volți de tensiune constantă. Produsele moderne au caracteristici îmbunătățite: până la patru volți și 50 mA.

LED-urile pentru iluminat sunt alimentate de aceeași tensiune, dar consumă deja câteva sute de milimetri. Producătorii dezvoltă acum și proiectează dispozitive până la 1 A.

Pentru a crește eficiența de ieșire a luminii, sunt create module LED care pot utiliza o sursă de tensiune secvențială pentru fiecare element. În acest caz, valoarea acesteia crește la 12 sau 24 volți.

La aplicarea tensiunii pe LED, trebuie luată în considerare polaritatea. Când este spart, curentul nu trece și nu va fi strălucire. Dacă se folosește un semnal sinusoidal alternativ, atunci strălucirea apare numai atunci când este transmisă o jumătate de undă pozitivă. Mai mult decât atât, puterea sa se modifică, de asemenea, proporțional în conformitate cu legea apariției mărimii curente, cu o direcție polară.

Trebuie avut în vedere faptul că, cu o tensiune inversă, este posibilă o defecțiune a unei joncțiuni semiconductoare. Apare când depășește 5 volți pe un singur cristal.

Metode de management

Pentru a regla luminozitatea luminii emise, se utilizează una dintre cele două metode de control:

1. magnitudinea tensiunii conectate;

2. folosind Modulația lățimii impulsului - PWM.

Prima metodă este simplă, dar ineficientă. Când nivelul de tensiune scade sub un anumit prag, LED-ul poate pur și simplu să se stingă.

Metoda PWM elimină acest fenomen, dar este mult mai complicat în implementarea tehnică. Curentul trecut prin joncțiunea semiconductor a cristalului unic este furnizat nu printr-o formă constantă, ci printr-o frecvență ridicată pulsată, cu o valoare de la câteva sute până la o mie de hertzi.

Prin schimbarea lățimii impulsurilor și a pauzelor dintre ele (procesul se numește modulare), luminozitatea strălucirii este reglată pe o gamă largă. Formarea acestor curenți prin cristale individuale este realizată de unități de control programabile speciale cu algoritmi complexi.

Spectru de emisie

Frecvența radiațiilor care decurg din LED se află într-o regiune foarte restrânsă. Se numește monocromatic. Este fundamental diferită de spectrul de unde emanat de Soare sau de filamentele incandescente ale becurilor obișnuite.

Există multe discuții despre efectul unei astfel de iluminări asupra ochiului uman. Cu toate acestea, rezultatele analizelor științifice serioase ale acestei probleme nu ne sunt cunoscute.

producere

La fabricarea LED-urilor, se folosește doar o linie automată, în care mașinile robot funcționează conform unei tehnologii pre-proiectate.

Munca fizică manuală a unei persoane este complet exclusă din procesul de producție.

Specialiștii instruiți efectuează doar controlul asupra cursului corect al tehnologiei.

Analiza calității produselor este, de asemenea, responsabilitatea lor.