Ako sú LED usporiadané a ako fungujú

Polovodičové zariadenia emitujúce svetlo sa široko používajú pre osvetľovacie systémy a ako indikátory elektrického prúdu. Vzťahujú sa na elektronické zariadenia pracujúce pod napätím.

Pretože jeho hodnota je zanedbateľná, patria tieto zdroje k nízkonapäťovým zariadeniam, majú zvýšený stupeň bezpečnosti, pokiaľ ide o vplyv elektrického prúdu na ľudské telo. Riziko zranení sa zvyšuje, keď sa na ich osvetlenie používajú zdroje zvýšeného napätia, napríklad domáca domáca sieť, ktorá vyžaduje zapojenie špeciálnych zdrojov energie do obvodu.

Charakteristickým znakom dizajnu LED je vyššia mechanická pevnosť krytu ako u Illich a žiariviek. Pri správnom fungovaní pracujú dlho a spoľahlivo. Ich zdroje sú stokrát vyššie ako zdroje žiaroviek a dosahujú sto tisíc hodín.

Tento indikátor je však charakteristický pre konštrukciu indikátorov. Vysokovýkonné zdroje používajú na osvetlenie vysoké prúdy a životnosť sa znižuje 2-5 krát.

LED zariadenie

Bežná indikačná LED dióda sa vyrába v epoxidovom púzdre s priemerom 5 mm a dvoma kontaktnými vodičmi na pripojenie k elektrickým prúdovým obvodom: anóda a katóda, Z vizuálneho hľadiska sa líšia dĺžkou. U nového zariadenia bez prerušených kontaktov je katóda kratšia.

Toto pravidlo si pamätá jednoduché pravidlo: obe slová začínajú písmenom „K“:

• katóda;

• skrátka.

Keď sú nohy LED diery odrezané, anóda sa dá určiť použitím napätia 1,5 V z batérie jednoduchého prstu na kontakty: svetlo sa objaví, keď sa polarity zhodujú.

Svetlo emitujúci aktívny monokryštál polovodiča má tvar pravouhlého rovnobežnostena. Je umiestnený v blízkosti parabolického reflektora vyrobeného zo zliatiny hliníka a pripevnený na substrát s nevodivými vlastnosťami.

Na konci priehľadného priehľadného puzdra vyrobeného z polymérnych materiálov sa nachádza svetelný lúč so zameraním na šošovku. Spolu s reflektorom tvorí optický systém, ktorý vytvára uhol toku žiarenia. Vyznačuje sa smerovým smerom LED.

Charakterizuje odchýlku svetla od geometrickej osi celkovej štruktúry po strany, čo vedie k zvýšeniu rozptylu. Tento jav sa vyskytuje v dôsledku výskytu malých porušení technológie počas výroby, ako aj starnutia optických materiálov počas prevádzky a niektorých ďalších faktorov.

Hliníkový alebo mosadzný pás môže byť umiestnený na spodnej časti skrinky a slúži ako radiátor na odvádzanie tepla generovaného pri prechode elektrického prúdu.

Tento princíp dizajnu je rozšírený. Na jeho základe sa vytvárajú aj ďalšie polovodičové svetelné zdroje využívajúce iné formy štruktúrnych prvkov.

Princípy vyžarovania svetla

Polovodičové spojenie typu p-n je pripojené k zdroju konštantného napätia v súlade s polaritou svoriek.

Vo vnútri kontaktnej vrstvy látok typu p a n sa pri svojom pôsobení začína pohyb záporne nabitých elektrónov a dier, ktoré majú kladné znamienko náboja. Tieto častice sú nasmerované na póly.

V prechodovej vrstve sa náboje rekombinujú. Elektróny prechádzajú z vodivého pásma do valenčného pásma, čím prekonávajú Fermiho úroveň.

Z tohto dôvodu sa časť ich energie uvoľňuje uvoľňovaním svetelných vĺn rôznych spektier a jasov. Frekvencia vĺn a reprodukcia farieb závisia od typu zmiešaných materiálov, z ktorých je vyrobený p-n križovatka.

Na vyžarovanie svetla vo vnútri aktívnej zóny polovodiča musia byť splnené dve podmienky:

1. šírka zakázaného pásma v aktívnej oblasti by sa mala nachádzať blízko energie emitovanej kvanty vo frekvenčnom rozsahu viditeľnom pre ľudské oko;

2. Čistota materiálov polovodičového kryštálu musí byť vysoká a počet defektov ovplyvňujúcich proces rekombinácie je minimálny.

Tento zložitý technický problém sa rieši niekoľkými spôsobmi. Jednou z nich je vytvorenie niekoľkých vrstiev p-n križovatiek, keď sa vytvára zložitá heteroštruktúra.

Teplotný efekt

Keď sa úroveň napätia zdroja zvyšuje, prúd cez polovodičovú vrstvu sa zvyšuje a zvyšuje sa luminiscencia: do rekombinantnej zóny vstupuje zvýšený počet nábojov za jednotku času. Súčasne sa zahrievajú prvky prenášajúce prúd. Jeho hodnota je kritická pre materiál vnútorných prúdových vodičov a pre podstatu spojenia pn. Nadmerné teploty ich môžu poškodiť, zničiť.

Vo vnútri diód LED prechádza energia elektrického prúdu do svetla priamo, bez zbytočných procesov: nie ako pri žiarovkách s žiarovkami. V tomto prípade vznikajú minimálne straty užitočnej energie v dôsledku nízkeho zahrievania vodivých prvkov.

Vďaka tomu sa vytvára vysoká účinnosť týchto zdrojov. Môžu sa však použiť iba tam, kde je chránená samotná stavba, blokovaná pred vonkajším ohrevom.

Vlastnosti svetelných efektov

Pri rekombinácii otvorov a elektrónov v rôznych zloženiach spojovacích látok pn sa vytvorí nerovnomerná emisia svetla. Zvyčajne sa charakterizuje pomocou parametra kvantového výnosu - počtu extrahovaného ľahkého kvanta pre jednu rekombinovanú dvojicu nábojov.

Tvorí sa a vyskytuje sa na dvoch úrovniach LED:

1. vnútri samotného polovodičového spoja - vnútorný;

2. pri návrhu celej LED ako celku - externé.

Na prvej úrovni môže kvantový výťažok správne vykonaných monokryštálov dosiahnuť hodnotu blízku 100%. Aby sa však zabezpečil tento ukazovateľ, je potrebné vytvárať veľké prúdy a silný odvod tepla.

Vo vnútri samotného zdroja je na druhej úrovni časť svetla rozptýlená a absorbovaná štruktúrnymi prvkami, čo znižuje celkovú účinnosť žiarenia. Maximálna hodnota kvantového výťažku je oveľa menšia. U diód LED vyžarujúcich červené spektrum nedosahuje viac ako 55%, zatiaľ čo pri modrej klesá ešte viac - až o 35%.

Druhy priepustnosti farebného svetla

Moderné LED diódy vyžarujú:

• žltá:

• zelená;

• červená;

• blue;

• blue;

• biele svetlo.

Žlté zelené, žlté a červené spektrum

Spoj pn je založený na fosfidoch a arzenidoch gália. Táto technológia bola implementovaná na konci 60. rokov pre ukazovatele elektronických zariadení a ovládacích panelov dopravných zariadení, billboardov.

Takéto zariadenia na výstup svetla okamžite predbehli hlavné zdroje svetla tej doby - žiarovky a prekonali ich spoľahlivosťou, zdrojom a bezpečnosťou.

Modré spektrum

Vysielače modrej, modro-zelenej a najmä bielej spektrálnej spektrometrie sa dlhodobo nedali prakticky implementovať kvôli ťažkostiam s komplexným riešením dvoch technických problémov:

1. obmedzená veľkosť zakázanej zóny, v ktorej sa uskutočňuje rekombinácia;

2. vysoké požiadavky na obsah nečistôt.

Pre každý krok zvýšenia jasu modrého spektra bolo potrebné zvýšenie energie quanta kvôli rozšíreniu šírky zakázanej zóny.

Tento problém sa vyriešil zahrnutím karbidov kremíka SiC alebo nitridov do polovodičovej látky. Ukázalo sa však, že vývoj prvej skupiny má príliš nízku účinnosť a malý výťažok kvantového žiarenia pre jeden rekombinovaný pár nábojov.

Zahrnutie tuhých roztokov selenidu zinočnatého do polovodičového spoja pomohlo zvýšiť kvantový výťažok. Takéto LED diódy však mali na križovatke zvýšený elektrický odpor.Z tohto dôvodu sa prehriali a rýchlo vyhoreli a zložité štruktúry pri výrobe odvodu tepla pre ne nefungovali efektívne.

Prvýkrát sa vytvorila modrá LED s použitím tenkých vrstiev nitridu gália naneseného na zafírový substrát.

Biele spektrum

Na jeho získanie použite jednu z troch vyvinutých technológií:

1. miešanie farieb podľa metódy RGB;

2. nanesenie troch vrstiev červeného, ​​zeleného a modrého fosforu na ultrafialovú LED;

3. potiahnutie modrej LED vrstvy žlto-zeleným a zeleno-červeným fosforom.

V prvom spôsobe sa tri monokryštály umiestnia naraz na jednu matricu, z ktorých každý emituje svoje vlastné RGB spektrum. Vďaka dizajnu optického systému založeného na šošovkách sú tieto farby zmiešané a výsledným výstupom je celkový odtieň bielej farby.

V alternatívnom spôsobe dochádza k zmiešavaniu farieb v dôsledku postupného ožarovania trojzložkových fosforových vrstiev ultrafialovým žiarením.

Funkcie technológie bieleho spektra

Technika RGB

Umožňuje vám:

• zahrnúť rôzne kombinácie monokryštálov do algoritmu riadenia osvetlenia, spájať ich striedavo manuálne alebo s automatickým programom;

• spôsobiť rôzne farebné odtiene, ktoré sa časom menia;

• vytvoriť veľkolepé osvetľovacie systémy pre reklamu.

Jednoduchý príklad takejto implementácie je farebné vianočné girlandy, Podobné algoritmy bežne používajú aj dizajnéri.

Nevýhody LED RGB sú:

• heterogénna farba svetelného bodu v strede a na okrajoch;

• nerovnomerné zahrievanie a odvod tepla z povrchu matrice, čo vedie k rôznym stupňom starnutia spojov p-n, ovplyvňuje vyváženie farieb a mení celkovú kvalitu bieleho spektra.

Tieto nevýhody sú spôsobené rôznym usporiadaním monokryštálov na povrchu základne. Je ťažké ich opraviť a nakonfigurovať. Vďaka tejto technológii patria modely RGB medzi najzložitejšie a najdrahšie.

LED diódy s fosforom

Ich konštrukcia je jednoduchšia, lacnejšia na výrobu, úspornejšia pri premene na žiariace jednotky svetelného toku.

Vyznačujú sa nevýhodami:

• vo fosforovej vrstve sú straty svetelnej energie, ktoré znižujú svetelný výkon;

• zložitosť technológie na aplikáciu rovnomernej vrstvy fosforu ovplyvňuje kvalitu farebnej teploty;

• Fosfor má kratšiu životnosť ako samotná LED dióda a starne rýchlejšie počas používania.

Vlastnosti LED rôznych prevedení

Fosforové modely a produkty RGB sa vyrábajú pre rôzne priemyselné a domáce aplikácie.

Metódy výživy

Indikátor LED prvého uvoľnenia hmoty spotreboval asi 15 mA, keď bol napájaný z mierne nižšej hodnoty ako dva volty konštantného napätia. Moderné výrobky majú vylepšené vlastnosti: až štyri volty a 50 mA.

LED pre osvetlenie sú napájané rovnakým napätím, ale už spotrebujú niekoľko stoviek miliampérov. Výrobcovia teraz aktívne vyvíjajú a navrhujú zariadenia do 1 A.

Aby sa zvýšila účinnosť svetelného výkonu, vytvárajú sa LED moduly, ktoré môžu využívať sekvenčné napájanie každého prvku. V tomto prípade sa jeho hodnota zvýši na 12 alebo 24 voltov.

Pri pripájaní napätia na LED sa musí zohľadniť polarita. Ak je prerušený, prúd neprechádza a nebude žiariť. Ak sa použije striedavý sínusový signál, potom k žiareniu dôjde iba vtedy, keď sa vysiela pozitívna polvlna. Okrem toho sa jeho sila úmerne mení podľa zákona o vzhľade zodpovedajúcej aktuálnej veľkosti s polárnym smerom.

Malo by sa pamätať na to, že pri reverznom napätí je možné prerušenie polovodičového spojenia. Vyskytuje sa pri prekročení 5 voltov na jednom monokryštáli.

Metódy riadenia

Na úpravu jasu vyžarovaného svetla sa používa jedna z dvoch metód ovládania:

1. veľkosť pripojeného napätia;

2. pomocou Modulácia šírky impulzu - PWM.

Prvá metóda je jednoduchá, ale neefektívna. Keď úroveň napätia klesne pod určitú prahovú hodnotu, môže LED jednoducho zhasnúť.

Metóda PWM tento jav eliminuje, ale pri technickej implementácii je oveľa zložitejšia. Prúd prechádzajúci polovodičovým spojom monokryštálu nie je dodávaný konštantným tvarom, ale pulznou vysokou frekvenciou s hodnotou od niekoľko sto do tisíc hertzov.

Zmenou šírky impulzov a prestávok medzi nimi (proces sa nazýva modulácia) sa jas žiara nastaví v širokom rozsahu. Tvorba týchto prúdov pomocou monokryštálov sa uskutočňuje pomocou špeciálnych programovateľných riadiacich jednotiek s komplexnými algoritmami.

Emisné spektrum

Frekvencia žiarenia vychádzajúceho z LED je vo veľmi úzkej oblasti. Hovorí sa tomu monochromatické. Zásadne sa líši od spektra vĺn vychádzajúcich zo Slnka alebo žiaroviek bežných svetelných lámp.

O účinku tohto osvetlenia na ľudské oko sa veľa diskutuje. Výsledky vážnych vedeckých analýz tohto problému však nie sú známe.

výroba

Pri výrobe LED sa používa iba automatická linka, v ktorej robotické stroje pracujú podľa vopred navrhnutej technológie.

Fyzická manuálna práca osoby je úplne vylúčená z výrobného procesu.

Vyškolení odborníci vykonávajú iba kontrolu nad správnym priebehom technológie.

Ich zodpovednosťou je aj analýza kvality výrobkov.