Kako su LED diode poredane i funkcioniraju

Poluvodički uređaji koji se emitiraju svjetlo naširoko se koriste za sustave rasvjete i kao pokazatelje električne struje. Odnose se na elektroničke uređaje koji rade pod primijenjenim naponom.

Budući da je njegova vrijednost beznačajna, takvi izvori pripadaju uređajima niskog napona, imaju povećan stupanj sigurnosti u pogledu utjecaja električne struje na ljudsko tijelo. Rizik od ozljeda povećava se kada se za njihovo osvjetljenje koriste izvori povećanog napona, na primjer, kućna mreža za domaćinstvo, koja zahtijevaju uključivanje posebnih napajanja u krug.

Izrazita karakteristika dizajna LED je veća mehanička čvrstoća kućišta od Illich i fluorescentnih svjetiljki. Uz pravilan rad, djeluju dugo i pouzdano. Njihov resurs je 100 puta veći od resursa sa žarnom niti, koji dosežu stotinu tisuća sati.

Međutim, ovaj je indikator karakterističan za dizajne indikatora. Izvori velike snage koriste velike struje za osvjetljenje, a radni vijek se smanjuje 2-5 puta.

LED uređaj

Uobičajeni LED indikator izrađen je u epoksidnom kućištu promjera 5 mm i dva kontaktna vodi za spajanje na strujne krugove: anoda i katoda, Vizualno se razlikuju po duljini. Za novi uređaj bez reznih kontakata katoda je kraća.

Jednostavno pravilo pomaže pamtiti ovaj položaj: obje riječi počinju slovom „K“:

• katoda;

• ukratko.

Kad su noge LED diode odsječene, anoda se može odrediti primjenom napona od 1,5 volta iz jednostavne baterije prsta: svjetlo se pojavljuje kada se polariteti poklapaju.

Aktivni pojedinačni kristal poluvodiča koji emitira svjetlost ima oblik pravokutnog paralelepipeda. Postavlja se u blizini paraboličnog reflektora izrađenog od aluminijske legure i montira se na podlogu s neprovodljivim svojstvima.

Na kraju prozirnog prozirnog kućišta izrađenog od polimernih materijala nalazi se svjetlosne zrake koje fokusiraju leće. On, zajedno s reflektorom, stvara optički sustav koji tvori kut toka zračenja. Karakterizira ga uzorak usmjerenosti LED-a.

Karakterizira odstupanje svjetlosti od geometrijske osi cjelokupne konstrukcije prema stranama, što dovodi do povećanja raspršenja. Ovaj se fenomen pojavljuje zbog pojave malih kršenja tehnologije tijekom proizvodnje, kao i zbog starenja optičkih materijala tijekom rada i nekih drugih čimbenika.

Aluminijski ili mjedeni pojas mogu se nalaziti na dnu kućišta, a služe kao radijator za uklanjanje topline stvorene tijekom prolaska električne struje.

Ovaj je princip dizajna rasprostranjen. Na njegovoj osnovi stvaraju se i drugi poluvodički izvori svjetlosti pomoću drugih oblika konstrukcijskih elemenata.

Načela emisije svjetlosti

Poluvodički spoj p-n tipa spojen je na izvor konstantnog napona u skladu s polarnošću terminala.

Unutar kontaktnog sloja tvari p-i n-tipa, pod njegovim djelovanjem, započinje kretanje slobodno negativno nabijenih elektrona i rupa koje imaju pozitivan znak naboja. Te su čestice usmjerene prema njihovim polovima.

U prelaznom sloju naboji se rekombiniraju. Elektroni prolaze iz kondukcijskog pojasa u valentni pojas, prelazeći Fermi nivo.

Zbog toga se dio njihove energije oslobađa puštanjem svjetlosnih valova različitih spektra i svjetline. Frekvencija valova i reprodukcija boje ovise o vrsti miješanog materijala od kojeg su izrađeni p-n spoj.

Za zračenje svjetlosti unutar aktivne zone poluvodiča moraju biti ispunjena dva uvjeta:

1. prostor zabranjene zone u širini u aktivnom području trebao bi biti blizu energije emitirane kvante u rasponu frekvencija vidljivom ljudskom oku;

2. Čistoća materijala kristala poluvodiča mora biti visoka, a broj oštećenja koji utječu na proces rekombinacije najmanji je mogući.

Ovaj težak tehnički problem rješava se na nekoliko načina. Jedan od njih je stvaranje više slojeva p-n spojeva kada se formira složena heterostruktura.

Temperaturni učinak

Kako se razina napona izvora povećava, struja kroz poluvodički sloj se povećava i luminescencija povećava: povećani broj naboja po jedinici vremena ulazi u zonu rekombinacije. Istodobno se zagrijavaju strujni elementi. Njegova vrijednost je kritična za materijal unutarnjih strujnih vodiča i tvar pn spoja. Previsoke temperature mogu ih oštetiti, uništiti.

Unutar LED-ova, energija električne struje izravno prelazi u svjetlost, bez nepotrebnih procesa: poput svjetiljki sa žarnom niti. U ovom slučaju nastaju minimalni gubici korisne snage zbog slabog zagrijavanja vodljivih elemenata.

Zbog toga se stvara visoka učinkovitost ovih izvora. Ali, oni se mogu koristiti samo tamo gdje je sama struktura zaštićena, blokirana od vanjskog grijanja.

Značajke svjetlosnih efekata

Nakon rekombinacije rupa i elektrona u različitim sastavima supstanci pn, stvara se nejednaka emisija svjetlosti. Uobičajeno je okarakterizirati ga parametrom kvantnog prinosa - brojem izvađenih svjetlosnih kvanta za jedan rekombinirani par naboja.

Nastaje i nastaje na dvije razine LED-a:

1. unutar samog poluvodičkog spoja - unutarnjeg;

2. u dizajnu cijele LED kao cjeline - vanjske.

Na prvoj razini, kvantni prinos pravilno izvedenih monokristala može doseći vrijednost koja je blizu 100%. Ali, da bi se osigurao ovaj pokazatelj, potrebno je stvoriti velike struje i snažno rasipanje topline.

Unutar samog izvora, na drugoj razini, dio svjetlosti raspršuje se i apsorbira strukturne elemente, što smanjuje ukupnu učinkovitost zračenja. Maksimalna vrijednost kvantnog prinosa mnogo je manja. Za LED koji emitiraju crveni spektar, on dostiže ne više od 55%, dok se za plave smanjuje još više - do 35%.

Vrste prijenosa svjetlosti u boji

Moderne LED diode emitiraju:

• žuta:

• zelena;

• crvena;

• plava;

• plava;

• bijelo svjetlo.

Žuto zeleni, žuti i crveni spektar

Pn spoj temelji se na galijevim fosfidima i arsenidima. Ova je tehnologija primijenjena u kasnim 60-ima za pokazatelje elektroničkih uređaja i upravljačkih ploča transportne opreme, panoe.

Takvi uređaji za izlaz svjetla odmah su nadvladali glavne izvore svjetla toga vremena - žarulje sa žarnom niti i nadmašili ih u pouzdanosti, resursima i sigurnosti.

Plavi spektar

Emiteri plavog, plavo-zelenog, a posebno bijelog spektra, dugo se nisu bavili praktičnom primjenom zbog poteškoća složenog rješavanja dvaju tehničkih problema:

1. ograničena veličina zabranjene zone u kojoj se provodi rekombinacija;

2. visoki zahtjevi za sadržajem nečistoće.

Za svaki korak povećanja svjetline plavog spektra bilo je potrebno povećanje energije kvanta zbog širenja širine zabranjene zone.

Problem je riješen uvrštavanjem silicij-karbida SiC ili nitrida u poluvodičku tvar. No, ispostavilo se da je razvoj prve skupine imao prenisku učinkovitost i mali prinos kvantnog zračenja za jedan rekombinirani par naboja.

Uključivanje čvrstih otopina cinkovog selenida u poluvodičke spojnice pomoglo je povećanju kvantnog prinosa. Ali, takvi su LED-i imali povećan električni otpor na spoju.Zbog toga su se pregrijavale i brzo izgarale, a složene strukture u proizvodnji topline za njih nisu djelovale učinkovito.

Prvi put je izrađen plavi LED pomoću tankih filmova galij-nitrida nanesenih na safirnu podlogu.

Bijeli spektar

Da biste ga dobili, koristite jednu od tri razvijene tehnologije:

1. miješanje boja prema RGB metodi;

2. nanošenje tri sloja crvenog, zelenog i plavog fosfora na ultraljubičastu LED;

3. prekrivanje plave LED slojevima žuto-zelenog i zeleno-crvenog fosfora.

U prvoj se metodi tri monokristala postavljaju na jednu matricu odjednom, a svaki od njih emitira svoj RGB spektar. Zbog dizajna optičkog sustava temeljenog na sočivima, ove su boje pomiješane, a dobiveni ispis je totalno bijele nijanse.

U alternativnoj metodi, miješanje boja događa se zbog sukcesivnog zračenja ultraljubičastim zračenjem triju sastavnih fosfornih slojeva.

Značajke tehnologije bijelog spektra

RGB tehnika

Omogućuje vam:

• uključiti različite kombinacije monokristala u algoritam upravljanja rasvjetom, povezujući ih naizmjenično ručno ili s automatiziranim programom;

• uzrokuju razne nijanse boja koje se s vremenom mijenjaju;

• izradite spektakularne sustave rasvjete za oglašavanje.

Jednostavni primjer takve provedbe je božićni vijenci u boji, Slični algoritmi također široko koriste dizajneri.

Nedostaci RGB LED dioda su:

• heterogena boja svjetlosne točke u sredini i na rubovima;

• neujednačeno zagrijavanje i uklanjanje topline s površine matrice, što dovodi do različitih brzina starenja p-n spojeva, što utječe na uravnoteženje boja, mijenjajući ukupnu kvalitetu bijelog spektra.

Ovi nedostaci nastaju zbog različitog rasporeda monokristala na osnovnoj površini. Teško ih je popraviti i konfigurirati. Zbog ove tehnologije, RGB modeli spadaju u najsloženije i najskuplje dizajne.

LED-ovi s fosforom

Jednostavniji su u dizajnu, jeftiniji za proizvodnju, ekonomičniji kada se pretvaraju u jedinice zračenja svjetlosnog toka.

Karakteriziraju ih nedostaci:

• u fosfornom sloju nastaju gubici svjetlosne energije, koji smanjuju svjetlosnu snagu;

• složenost tehnologije za nanošenje ujednačenog fosfornog sloja utječe na kvalitetu temperature boje;

• Fosfor ima kraći vijek trajanja od samog LED-a i dobiva brže tijekom upotrebe.

Značajke LED različitih dizajna

Fosforni modeli i RGB proizvodi kreirani su za razne industrijske i domaće primjene.

Prehrambene metode

Indikatorska LED prva masa oslobađa oko 15 mA kada se napaja iz nešto niže vrijednosti od dva volta konstantnog napona. Moderni proizvodi imaju poboljšane karakteristike: do četiri volta i 50 mA.

LED za rasvjetu napajaju se istim naponom, ali već troše nekoliko stotina miliampera. Proizvođači sada aktivno razvijaju i dizajniraju uređaje do 1 A.

Kako bi se povećala učinkovitost svjetlosnog izlaza, stvoreni su LED moduli koji mogu koristiti uzastopno napajanje svakog elementa. U tom se slučaju njegova vrijednost povećava na 12 ili 24 volta.

Prilikom primjene napona na LED, potrebno je uzeti u obzir polaritet. Kad se razbije, struja ne prolazi i neće biti sjaja. Ako se koristi izmjenični sinusoidni signal, tada se sjaj pojavljuje samo kad se prenosi pozitivni poluslov. Štoviše, njegova se snaga također proporcionalno mijenja prema zakonu pojave odgovarajuće veličine struje s polarnim smjerom.

Treba imati na umu da je s reverznim naponom moguć prekid poluvodičkog spoja. Javlja se pri prekoračenju od 5 volti na jednom monokristalu.

Metode upravljanja

Za podešavanje svjetline emitirane svjetlosti koristi se jedna od dvije metode upravljanja:

1. veličina priključenog napona;

2. pomoću Modulacija širine impulsa - PWM.

Prva metoda je jednostavna, ali neučinkovita. Kad razina napona padne ispod određenog praga, LED se jednostavno može ugasiti.

PWM metoda eliminira ovaj fenomen, ali mnogo je složenija u tehničkoj primjeni. Struja koja prolazi kroz poluvodički spoj monokristala napaja se ne konstantnim oblikom, već pulsirajućom visokom frekvencijom vrijednosti od nekoliko stotina do tisuću herca.

Promjenom širine impulsa i stankama između njih (postupak se naziva modulacija), svjetlina sjaja podešava se u širokom rasponu. Stvaranje ovih struja kroz monokristale provodi se pomoću programabilnih upravljačkih jedinica sa složenim algoritmima.

Emisijski spektar

Učestalost zračenja koja proizlazi iz LED-a leži u vrlo uskom području. Zove se monokromatski. Bitno se razlikuje od spektra valova koji izlazi od Sunca ili žarulja sa žarnom niti običnih žarulja.

Puno se raspravlja o učinku takve rasvjete na ljudsko oko. Međutim, rezultati ozbiljnih znanstvenih analiza ovog pitanja nisu nam poznati.

proizvodnja

U proizvodnji LED dioda koristi se samo automatska linija u kojoj robotski strojevi rade prema unaprijed dizajniranoj tehnologiji.

Fizički fizički rad osobe potpuno je isključen iz procesa proizvodnje.

Obučeni stručnjaci vrše samo kontrolu ispravnog tijeka tehnologije.

Analiza kvalitete proizvoda je također njihova odgovornost.