A LED-ek elrendezése és működése

A fénykibocsátó félvezető eszközöket széles körben használják világítási rendszerekhez és az elektromos áram jelzésére. Az alkalmazott feszültség alatt működő elektronikus eszközökre vonatkoznak.

Mivel értéke jelentéktelen, az ilyen források alacsony feszültségű készülékekhez tartoznak, és nagy biztonságúak az elektromos áramnak az emberi testre gyakorolt ​​hatása szempontjából. A sérülések kockázata növekszik, ha a megnövekedett feszültségű források - például egy háztartási otthoni hálózat - speciális tápegységeknek az áramkörbe történő bevonását igénylik, hogy megvilágítsák őket.

A LED kialakításának megkülönböztető eleme a ház magasabb mechanikai szilárdsága, mint az Ilyich és a fénycsöveké. Megfelelő működés mellett hosszú és megbízhatóan működnek. Forrásuk százszor nagyobb, mint az izzólámpáké, és elérik a százezer órát.

Ez a mutató azonban jellemző az indikátorok kialakításához. A nagy teljesítményű források nagy áramot használnak a megvilágításhoz, és az élettartam 2–5-szer csökken.

LED készülék

Egy hagyományos jelző LED-et epoxi tokban készítünk, amelynek átmérője 5 mm, és két érintkezővezetékkel csatlakozik az elektromos áramkörökhöz: anód és katód. Vizuálisan hosszukban különböznek egymástól. Vágott érintkezők nélküli új eszköznél a katód rövidebb.

Egy egyszerű szabály segít megjegyezni ezt a helyzetet: mindkét szó K betűvel kezdődik:

• katód;

• röviden.

Amikor a LED lábai le vannak vágva, az anódot úgy határozhatjuk meg, hogy 1,5 V feszültséget adunk az egyszerű ujj-elemről az érintkezőkre: a fény akkor jelenik meg, ha a polaritások egybeesnek.

A félvezető fénykibocsátó aktív monokristálya téglalap alakú, párhuzamos cső alakú. Alumíniumötvözetből készült parabolikus reflektor közelében helyezkedik el, és nem vezetőképes tulajdonságokkal rendelkező hordozóra van felszerelve.

A polimer anyagból készült átlátszó, átlátszó tok végén van egy lencsére összpontosító fénysugarak. Ez a reflektorral együtt egy optikai rendszert alkot, amely meghatározza a sugárzási fluxust. Jellemzője a LED irányítási mintája.

Ez jellemzi a fény eltérését az általános szerkezet geometriai tengelyétől az oldalak felé, ami növeli a szóródást. Ez a jelenség a technológia kismértékű megsértésének megjelenése a gyártás során, valamint az optikai anyagok öregedése működés közben és néhány egyéb tényező miatt.

A ház alján alumínium vagy sárgaréz öv helyezhető el, amely radiátorként szolgál az elektromos áram áthaladása során keletkező hő eltávolításához.

Ez a tervezési elv széles körben elterjedt. Ennek alapján más félvezető fényforrásokat is létrehoznak a szerkezeti elemek más formáinak felhasználásával.

A fénykibocsátás alapelvei

A p-n típusú félvezető csomópont állandó feszültségforráshoz van csatlakoztatva, a sorkapcsok polaritásának megfelelően.

A p- és n-típusú anyagok érintkezőrétegén belül, működése alatt megkezdődik a szabad negatív töltésű elektronok és lyukak mozgása, amelyek pozitív töltésjelet mutatnak. Ezek a részecskék a pólusuk felé vannak irányítva.

Az átmeneti rétegben a töltések rekombinálódnak. Az elektronok áthaladnak a vezetőképesség sávjából a valencia sávba, meghaladva a Fermi szintet.

Emiatt energiájuk egy része felszabadul, különféle spektrumú és fényerősségű hullámok kibocsátásával. A hullámfrekvencia és a színvisszaadás attól függ, hogy milyen vegyes anyagok készülnek p-n csomópont.

A félvezető aktív zónáján belüli fény sugárzásának két feltételnek teljesülnie kell:

1. az aktív régióban a tiltott zóna szélességének közel kell lennie a kibocsátott kvanták energiájához az emberi szem számára látható frekvenciatartományban;

2. A félvezető kristály anyagának tisztaságának magasnak kell lennie, és a rekombinációs folyamatot befolyásoló hibák száma a lehető legkisebb.

Ezt a nehéz technikai problémát többféle módon oldják meg. Az egyik p-n csomópontok több rétegének létrehozása komplex heterostruktúra kialakulásakor.

Hőmérsékleti hatás

Ahogy a forrás feszültségszintje növekszik, a félvezető rétegen keresztüli áram növekszik, és a lumineszcencia növekszik: időegységenként nagyobb számú töltés lép be a rekombinációs zónába. Ugyanakkor az áramot szállító elemeket felmelegítjük. Értéke kritikus a belső áramvezetők anyaga és a pn csatlakozás anyaga szempontjából. A túl magas hőmérséklet károsíthatja őket, megsemmisítheti őket.

A LED-eken az elektromos áram energiája közvetlenül a fénybe jut, felesleges folyamatok nélkül: nem úgy, mint az izzólámpák. Ebben az esetben a vezető elemek alacsony hevítése miatt minimális hasznos teljesítmény veszteség keletkezik.

Ennek köszönhetően ezek a források nagy hatékonysággal jönnek létre. De csak akkor használhatók, ha maga a szerkezet védett, blokkolva van a külső fűtéstől.

A világítóhatások jellemzői

A lyukak és elektronok rekombinációjánál a pn csatlakozási anyagok különböző összetételében egyenlőtlen fénykibocsátás jön létre. Szokásos a kvantumhozam paraméterével jellemezni - az extrahált fénykvantumok száma egy rekombinált töltéspárra.

Ez a LED két szintjén van kialakítva és fordul elő:

1. magában a félvezető csatlakozásban - belső;

2. az egész LED tervezése során - külső.

Az első szinten a helyesen végrehajtott monokristályok kvantumhozama elérheti a 100% -ot. Ennek a mutatónak a biztosításához azonban nagy áramok és nagy hőelvezetés szükséges.

Maga a forráson belül, a második szinten a fény egy részét szétszórták és a szerkezeti elemek elnyelik, ami csökkenti az általános sugárzási hatékonyságot. A kvantumhozam maximális értéke sokkal kevesebb. A vörös spektrumot kibocsátó LED-eknél ez nem haladja meg az 55% -ot, kék esetén pedig még ennél is alacsonyabb - akár 35% -ot.

A színes fényáteresztő képesség típusai

A modern LED-ek:

• sárga:

• zöld;

• piros;

• kék;

• kék;

• fehér fény.

Sárga zöld, sárga és piros spektrum

A pn-csomópont gallium-foszfideken és arzenideken alapul. Ezt a technológiát a 60-as évek végén hajtották végre az elektronikus eszközök kijelzőire és a szállítóeszközök vezérlőpaneleire, a hirdetőtáblákra.

Az ilyen fénykibocsátó eszközök azonnal felülmúltak az akkori fő fényforrásokat - az izzólámpákat, és meghaladták őket megbízhatóság, erőforrás és biztonság szempontjából.

Kék spektrum

A kék, kék-zöld és különösen a fehér spektrumok kibocsátói hosszú ideig nem voltak képesek gyakorlati megvalósításra két technikai probléma komplex megoldásának nehézségei miatt:

1. a tiltott zóna korlátozott mérete, amelyben a rekombinációt végrehajtják;

2. magas követelmények a szennyeződések tartalmára.

A kék spektrum fényességének növelése minden lépésekor a kvantum energiájának növelésére volt szükség a tiltott zóna szélességének megnövekedése miatt.

A kérdést szilícium-karbid-szilikát vagy nitridek bevezetésével a félvezető anyagba oldottuk meg. Az első csoport fejlesztései azonban kiderült, hogy túl alacsony hatékonyságúak és kis mennyiségű kvantumos sugárzást eredményeznek egy rekombinált töltéspárra.

A cink-szelenid-szilárd oldatok beépítése a félvezető csatlakozásba hozzájárult a kvantumhozam növeléséhez. De az ilyen LED-eknek megnövekedett elektromos ellenállása volt a csomóponton.Ennek következtében túlmelegedtek és gyorsan kiégették, és a hőelvonás előállításához szükséges összetett szerkezetek nem működtek hatékonyan.

Első alkalommal egy kék LED-et hoztak létre egy zafír hordozóra felvitt gallium-nitrid vékony filmjeivel.

Fehér spektrum

Ennek megszerzéséhez használja a három fejlett technológia egyikét:

1. színkeverés az RGB módszer szerint;

2. vörös, zöld és kék foszfor három rétegének felhordása az ultraibolya LED-re;

3. a kék LED-et bevonva sárga-zöld és zöld-piros foszforréteggel.

Az első módszer szerint három monokristályt helyeznek el egyetlen mátrixon egyszerre, amelyek mindegyike saját RGB spektrumát bocsátja ki. A lencse alapú optikai rendszer kialakításának köszönhetően ezek a színek keverednek, és a kapott eredmény teljes fehér árnyalatú.

Egy alternatív módszer szerint a színkeverés a három alkotórész foszforrétegének ultraibolya sugárzással történő egymást követő besugárzása következtében következik be.

A fehér spektrum technológiájának jellemzői

RGB technika

Ez lehetővé teszi:

• vonja be az egyes kristályok különféle kombinációit a világításvezérlő algoritmusba, váltakozva manuálisan vagy automatizált programmal;

• különböző színárnyalatokat okoz, amelyek idővel változnak;

• látványos világítási rendszereket hozhat létre a reklámozáshoz.

Az ilyen megvalósítás egyszerű példája színes karácsonyi girlandok. Hasonló algoritmusokat a tervezők is széles körben használnak.

Az RGB LED-ek hátrányai a következők:

• a fénypont heterogén színe a közepén és az élekben;

• egyenetlen melegítés és hőelvonás a mátrix felületéről, ami a p-n csomópontok eltérő öregedési sebességéhez vezet, befolyásolja a színkiegyenlítést, megváltoztatva a fehér spektrum általános minőségét.

E hátrányokat az egyes kristályok eltérő elrendezése az alapfelületen okozza. Nehezen javítható és konfigurálható. Ennek a technológiának köszönhetően az RGB modellek a legbonyolultabb és legdrágább minták.

LED-ek foszforral

Tervezésük egyszerűbb, olcsóbban gyártható, gazdaságosabb, ha fényáram sugárzási egységekké alakítják át.

Ezek hátrányai jellemzik:

• a foszforrétegben fényenergia veszteségek vannak, amelyek csökkentik a fényteljesítményt;

• az egységes foszforréteg felhordására szolgáló technológia összetettsége befolyásolja a színhőmérséklet minőségét;

• A foszfor rövidebb élettartama, mint maga a LED, és használat közben gyorsabban öregszik.

Különböző kivitelű LED-ek jellemzői

A Phosphor modelleket és az RGB termékeket különféle ipari és háztartási alkalmazásokhoz hozták létre.

Táplálkozási módszerek

Az első tömegű LED-ek kb. 15 mA-t fogyasztanak, amikor a feszültség valamivel alacsonyabb, mint két állandó állandó feszültség. A modern termékek javított tulajdonságokkal rendelkeznek: akár négy volt és 50 mA-ig.

A világítás LED-eit ugyanaz a feszültség táplálja, de már több száz milliamper fogyasztanak. A gyártók most aktívan fejlesztenek és terveznek az 1 A-ig terjedő eszközöket.

A fénykibocsátás hatékonyságának növelése érdekében olyan LED-modulokat hoznak létre, amelyek szekvenciális feszültség-ellátást használnak minden elemhez. Ebben az esetben az érték 12 vagy 24 voltra növekszik.

A LED feszültségének alkalmazásakor a polaritást figyelembe kell venni. Ha megtört, az áram nem halad át, és nem lesz izzás. Ha váltakozó szinuszos jelet használ, akkor a fény csak pozitív félhullám átadásakor fordul elő. Sőt, erőssége arányosan megváltozik a megfelelő áramlási méret poláris irányú megjelenésének törvénye szerint is.

Nem szabad megfeledkezni arról, hogy fordított feszültség esetén a félvezető csomópontja megszakadhat. Ez akkor fordul elő, ha egy kristályon meghaladja az 5 voltot.

Irányítási módszerek

A kibocsátott fény fényerejének beállításához a két szabályozási módszer egyikét kell használni:

1. a csatlakoztatott feszültség nagysága;

2. használata Impulzusszélesség-moduláció - PWM.

Az első módszer egyszerű, de nem hatékony. Amikor a feszültségszint egy bizonyos küszöb alá esik, a LED egyszerűen kialszik.

A PWM módszer kiküszöböli ezt a jelenséget, de a műszaki megvalósításban sokkal bonyolultabb. Az egyes kristályok félvezető csomópontján átmenő áramot nem állandó alak, hanem impulzusos nagyfrekvencia szolgáltatja, amelynek értéke több száz és ezer Hz között van.

Az impulzusok szélességének és a közöttük lévő szünetek megváltoztatásával (ezt a folyamatot modulációnak nevezzük) az izzás fényereje széles tartományban beállítható. Ezen áramok képződését egyetlen kristályon keresztül speciális, programozható vezérlőegységek végzik, komplex algoritmusokkal.

Kibocsátási spektrum

A LED-ből származó sugárzás frekvenciája nagyon szűk régióban fekszik. Monokrómnak nevezik. Alapvetően különbözik a Nap által kibocsátott hullámok spektrumától vagy a közönséges izzók izzólámpáitól.

Sok vita folyik az ilyen világításnak az emberi szemre gyakorolt ​​hatásáról. A kérdés komoly tudományos elemzésének eredményei azonban számunkra nem ismertek.

termelés

A LED-ek gyártásában csak egy automatikus sor kerül felhasználásra, amelyben a robotgépek előre tervezett technológia szerint működnek.

Az ember fizikai fizikai munkája teljesen kizárt a termelési folyamatból.

A képzett szakemberek csak a technológia helyes iránya felett ellenőrzik.

A termékek minőségének elemzése szintén a felelősség.