Kuinka ledit on järjestetty ja toimivat

Valoa säteileviä puolijohdelaitteita käytetään laajalti valaistusjärjestelmissä ja sähkövirran osoittimina. Ne liittyvät elektronisiin laitteisiin, jotka toimivat käytetyn jännitteen alla.

Koska niiden arvo on merkityksetön, tällaiset lähteet kuuluvat pienjännitelaitteisiin, niillä on lisääntynyt turvallisuusaste sähkövirran vaikutuksesta ihmiskehoon. Loukkaantumisriskit kasvavat, kun lisääntyneen jännitteen lähteitä, esimerkiksi kotitalousverkkoa, joka vaatii erityisten virtalähteiden sisällyttämisen piiriin, käytetään niiden valaistamiseen.

LEDin suunnittelulle on ominaista, että kotelon mekaaninen lujuus on suurempi kuin Illichin ja loistelamppujen. Oikein käytettynä ne toimivat pitkään ja luotettavasti. Heidän voimavaransa on satatuhatta tuntia sata kertaa suurempi kuin hehkulankojen.

Tämä indikaattori on kuitenkin ominaista indikaattorimalleille. Suuritehoiset lähteet käyttävät suuria virtauksia valamiseen ja käyttöikä lyhenee 2–5 kertaa.

LED-laite

Tavanomainen merkkivalo on valmistettu epoksikotelossa, jonka halkaisija on 5 mm ja kaksi kosketinjohtoa kytkettäväksi sähkövirtapiireihin: anodi ja katodi. Visuaalisesti ne eroavat pituudeltaan. Uudella laitteella, jolla ei ole katkaistuja koskettimia, katodi on lyhyempi.

Yksinkertainen sääntö auttaa muistamaan tämän aseman: molemmat sanat alkavat kirjaimella “K”:

• katodi;

• lyhyesti sanottuna.

Kun LED: n jalat leikataan, anodi voidaan määrittää kohdistamalla 1,5 voltin jännitettä yksinkertaisesta sormen akusta koskettimiin: valo palaa, kun napaisuudet ovat samat.

Puolijohteen valoa säteilevä aktiivinen yksittäinen kide on suorakaiteen muotoinen suuntaissärmiö. Se on sijoitettu alumiiniseoksesta valmistetun parabolisen heijastimen läheisyyteen ja asennettu alustalle, jolla ei ole johtavia ominaisuuksia.

Polymeerimateriaaleista valmistetun läpinäkyvän läpinäkyvän kotelon päässä on linssiin kohdistuvat valonsäteet. Se muodostaa yhdessä heijastimen kanssa optisen järjestelmän, joka muodostaa säteilyvuon kulman. Sille on ominaista LEDin suuntakuvio.

Se kuvaa valon poikkeamaa kokonaisrakenteen geometrisestä akselista sivuille, mikä johtaa sironnan lisääntymiseen. Tämä ilmiö johtuu tekniikan pienten rikkomusten esiintymisestä tuotannon aikana, samoin kuin optisten materiaalien vanhenemisesta käytön aikana ja joistakin muista tekijöistä.

Kotelon pohjassa voi olla alumiini- tai messinkihihna, joka toimii säteilijänä sähkövirran kulun aikana syntyvän lämmön poistamiseksi.

Tämä suunnitteluperiaate on laajalle levinnyt. Sen perusteella luodaan myös muita puolijohdevalonlähteitä muun tyyppisillä rakenneosilla.

Valonsäteilyn periaatteet

P-n-tyyppinen puolijohdekytkentä on kytketty vakiojännitelähteeseen napojen napaisuuden mukaisesti.

P- ja n-tyyppisten aineiden kontaktikerroksen sisällä alkaa sen vaikutuksesta vapaasti negatiivisesti varautuneiden elektronien ja reikien, joilla on positiivinen varausmerkki, liikkuminen. Nämä hiukkaset on suunnattu napojaan kohti.

Siirtymäkerroksessa varaukset yhdistyvät. Elektronit kulkevat johtamiskaistalta valenssikaistalle ylittäen Fermin tason.

Tästä syystä osa heidän energiastaan ​​vapautuu vapauttamalla eri spektrien ja kirkkauden valon aaltoja. Aallontaajuus ja värintoisto riippuvat sekoitemateriaalien tyypistä, joista se on valmistettu p-n-risteys.

Valon säteilylle puolijohteen aktiivisen alueen sisällä on täytettävä kaksi ehtoa:

1. aktiivisen alueen leveän kielletyn vyöhykkeen tilan tulisi olla lähellä säteilevän kvantin energiaa ihmissilmän näkyvällä taajuusalueella;

2. Puolijohdekiteiden materiaalien puhtauden on oltava korkeaa ja rekombinaatioprosessiin vaikuttavien vikojen lukumäärän on oltava mahdollisimman pieni.

Tämä vaikea tekninen ongelma ratkaistaan ​​monin tavoin. Yksi niistä on useiden p-n-liitoskerrosten luominen, kun muodostuu monimutkainen heterorakenne.

Lämpötilavaikutus

Kun lähteen jännitetaso nousee, puolijohdekerroksen läpi kulkeva virta kasvaa ja luminesenssi kasvaa: rekombinaatiovyöhykkeelle tulee lisääntynyt varausten lukumäärä aikayksikköä kohti. Samaan aikaan virtaa kuljettavat elementit lämmitetään. Sen arvo on kriittinen sisäisten virtajohtimien materiaalille ja pn-liitoksen aineelle. Liialliset lämpötilat voivat vahingoittaa niitä, tuhota ne.

LEDien sisällä sähkövirran energia kulkee suoraan valoon ilman tarpeettomia prosesseja: ei kuten hehkulamppuilla. Tässä tapauksessa muodostuu minimaalisia hyödyllisen tehon menetyksiä johtavien elementtien alhaisen kuumennuksen vuoksi.

Tämän vuoksi näiden lähteiden korkea hyötysuhde syntyy. Niitä voidaan kuitenkin käyttää vain silloin, kun itse rakenne on suojattu, estetty ulkoiselta lämmöltä.

Valotehosteiden ominaisuudet

Kun reikiä ja elektroneja rekombinoidaan pn-liitosaineiden eri koostumuksissa, syntyy epätasainen valon säteily. On tapana karakterisoida se kvanttisaannon parametrilla - uutettujen valokvojen lukumäärä yhdelle yhdistelmävarausparille.

Se on muodostettu ja sitä esiintyy LED: n kahdella tasolla:

1. itse puolijohdeliitoksen sisällä - sisäinen;

2. koko LED: n suunnittelussa - ulkoinen.

Ensimmäisellä tasolla oikein suoritettujen yksittäisten kiteiden kvantasaanto voi saavuttaa arvon, joka on lähellä 100%. Tämän indikaattorin varmistamiseksi on kuitenkin luotava suuret virrat ja voimakas lämmönpoisto.

Itse lähteen sisällä, toisella tasolla, osa valosta hajallaan ja absorboidaan rakenneosien avulla, mikä vähentää yleistä säteilytehokkuutta. Kvanttisaannon maksimiarvo on paljon pienempi. Punaista spektriä säteilevissä LEDissä se saavuttaa enintään 55%, kun taas sinisellä se laskee vielä enemmän - jopa 35%.

Värivalonläpäisytyypit

Nykyaikaiset LEDit:

• keltainen:

• vihreä;

• punainen;

• sininen;

• sininen;

• valkoinen valo.

Keltavihreä, keltainen ja punainen spektri

Pn-liitos perustuu galliumfosfideihin ja arsenideihin. Tämä tekniikka otettiin käyttöön 60-luvun lopulla elektronisten laitteiden osoittimille ja kuljetusvälineiden ohjauspaneeleille, mainostauluille.

Tällaiset valonlähdelaitteet ohittivat heti tuolloin tärkeimmät valonlähteet - hehkulamput ja ylittivät ne luotettavuudessa, resursseissa ja turvallisuudessa.

Sininen spektri

Sinisen, sinivihreän ja erityisen valkoisen spektrin emitterit eivät olleet pitkään aikaa käytännössä toteutettavissa kahden teknisen ongelman monimutkaisten ratkaisujen vuoksi:

1. rajoitettu koko kiellettyä aluetta, jolla rekombinaatio suoritetaan;

2. korkeat vaatimukset epäpuhtauksien pitoisuudelle.

Jokaisessa sinisen spektrin kirkkauden lisäämisvaiheessa vaadittiin kvanttienergian lisäämistä kielletyn alueen leveyden lisääntymisen vuoksi.

Kysymys ratkaistiin sisällyttämällä piikarbidit SiC tai nitridit puolijohdeaineeseen. Mutta ensimmäisen ryhmän kehityksellä osoittautui olevan liian alhainen hyötysuhde ja pieni kvantisäteilysaanto yhdelle yhdistelmävarausparille.

Sinkkiselenidi-kiinteiden liuosten sisällyttäminen puolijohdeliitäntään auttoi lisäämään kvantisatoa. Mutta sellaisilla LEDillä oli lisääntynyt sähkövastus risteyksessä.Tästä johtuen ne ylikuumenivat ja palaivat nopeasti pois, ja heidän lämmönpoiston valmistuksen monimutkaiset rakenteet eivät toimineet tehokkaasti.

Ensimmäistä kertaa sininen LED luotiin käyttämällä safiirialustalle kerrostettuja galliumnitrididiohutkalvoja.

Valkoinen spektri

Saadaksesi sen, käytä yhtä kolmesta kehitetystä tekniikasta:

1. värien sekoittaminen RGB-menetelmän mukaisesti;

2. levitetään kolme kerrosta punaista, vihreää ja sinistä fosforia ultraviolettivalon LEDiin;

3. sinisen LEDin päällystäminen kelta-vihreällä ja vihreä-punaisella fosforikerroksella.

Ensimmäisessä menetelmässä kolme yksittäistä kideä asetetaan yhdelle matriisille kerralla, joista jokainen emittoi oman RGB-spektrin. Linssipohjaisen optisen järjestelmän suunnittelun vuoksi nämä värit sekoittuvat ja tuloksena on kokonaan valkoinen sävy.

Vaihtoehtoisessa menetelmässä värien sekoittuminen tapahtuu peräkkäisen säteilytyksen seurauksena kolmen ainesosan fosforikerroksen ultraviolettisäteilyllä.

Valkoisen spektrin tekniikan ominaisuudet

RGB-tekniikka

Sen avulla voit:

• sisällyttää valonohjausalgoritmiin erilaisia ​​yksittäisten kiteiden yhdistelmiä yhdistämällä ne vuorotellen manuaalisesti tai automatisoidun ohjelman kanssa;

• aiheuttavat erilaisia ​​värisävyjä, jotka muuttuvat ajan myötä;

• luoda näyttäviä valaistusjärjestelmiä mainonnalle.

Yksinkertainen esimerkki tällaisesta toteutuksesta on väri joulu seppeleitä. Samankaltaisia ​​algoritmeja käytetään myös laajasti suunnittelijoissa.

RGB-LEDien haittoja ovat:

• valopisteen heterogeeninen väri keskellä ja reunoilla;

• epätasainen lämmityksen ja lämmön poisto matriisin pinnalta, mikä johtaa p-n-liittymien erilaisiin ikääntymisasteisiin, vaikuttaen väritasapainotukseen, muuttaen valkoisen spektrin yleistä laatua.

Nämä haitat johtuvat yksittäisten kiteiden erilaisesta järjestelystä pohjapinnalla. Niitä on vaikea korjata ja määrittää. Tämän tekniikan ansiosta RGB-mallit ovat monimutkaisimpia ja kalleimpia.

LEDit fosforilla

Ne ovat rakenteeltaan yksinkertaisempia, halvempia valmistaa, taloudellisempia muunnettuna valovirtauksen säteilyyksiköiksi.

Niille on ominaista haitat:

• fosforikerroksessa on valon energiahäviöitä, jotka vähentävät valotehoa;

• yhdenmukaisen fosforikerroksen levittämisen tekniikan monimutkaisuus vaikuttaa värilämpötilan laatuun;

• Fosforin käyttöikä on lyhyempi kuin itse LEDin ja ikääntyy nopeammin käytön aikana.

Eri mallien ledien ominaisuudet

Fosforimalleja ja RGB-tuotteita luodaan erilaisiin teollisuus- ja kotimaisiin sovelluksiin.

Ravintomenetelmät

Ensimmäisen massan merkkivalo vapauttaa noin 15 mA virran ollessa hiukan alhaisemmasta arvosta kuin kaksi vakiojännitettä. Nykyaikaisilla tuotteilla on parannetut ominaisuudet: jopa neljä volttia ja 50 mA.

Valaistuksen LEDit saavat saman jännitteen, mutta ne kuluttavat jo useita satoja milliampeereja. Valmistajat kehittävät ja suunnittelevat nyt aktiivisesti 1 A: n laitteita.

Valonlähteen tehokkuuden lisäämiseksi luodaan LED-moduuleja, jotka voivat käyttää peräkkäistä jännitesyöttöä jokaiselle elementille. Tässä tapauksessa sen arvo nousee 12 tai 24 voltiin.

Kun kytketään jännitettä LEDiin, napaisuus on otettava huomioon. Kun se on rikki, virta ei läpäise eikä hehkua tule. Jos käytetään vuorottelevaa sinimuotoista signaalia, hehku tapahtuu vasta positiivisen puoliaallon lähettäessä. Lisäksi sen lujuus muuttuu myös suhteellisesti vastaavan virran suuruuden ulkonäön lain mukaan polaarisella suunnalla.

On pidettävä mielessä, että käänteisjännitteellä puolijohdeliitoksen hajoaminen on mahdollista. Se esiintyy, kun yli 5 volttia yhdellä kidellä.

Hallintamenetelmät

Lähetetyn valon kirkkauden säätämiseksi käytetään yhtä kahdesta säätömenetelmästä:

1. kytketyn jännitteen suuruus;

2. käyttämällä Pulssinleveyden modulaatio - PWM.

Ensimmäinen menetelmä on yksinkertainen, mutta tehoton. Kun jännitetaso laskee tietyn kynnyksen alapuolelle, LED voi yksinkertaisesti sammua.

PWM-menetelmä eliminoi tämän ilmiön, mutta teknisessä toteutuksessa se on paljon monimutkaisempi. Yksikiteisen puolijohdeliitoksen kautta kulkevaa virtaa ei syötetä vakiona, vaan pulssitetulla korkealla taajuudella, jonka arvo on useita satoja tuhanteen hertsiin.

Vaihtamalla pulssien leveyttä ja niiden välisiä taukoja (prosessia kutsutaan modulaatioksi), hehkuuden kirkkautta säädetään laajalla alueella. Näiden virtojen muodostuminen yksittäisten kiteiden kautta suoritetaan erityisillä ohjelmoitavilla ohjausyksiköillä, joilla on monimutkaiset algoritmit.

Päästöspektri

LEDistä tulevan säteilyn taajuus on erittäin kapealla alueella. Sitä kutsutaan yksiväriseksi. Se eroaa pohjimmiltaan auringosta tai tavallisten hehkulamppujen hehkulangoista tulevasta aaltospektristä.

Tällaisen valaistuksen vaikutuksesta ihmisen silmään käydään paljon keskustelua. Aiheen vakavien tieteellisten analyysien tuloksia ei kuitenkaan tunneta meille.

tuotanto

LEDien valmistuksessa käytetään vain automaattista linjaa, jossa robottikoneet toimivat ennalta suunnitellun tekniikan mukaisesti.

Henkilön fyysinen käsityö on kokonaan suljettu pois tuotantoprosessista.

Koulutetut asiantuntijat valvovat vain tekniikan oikeaa kulkua.

Tuotteiden laadun analysointi on myös heidän vastuullaan.