Kā gaismas diodes ir sakārtotas un darbojas

Gaismu izstarojošās pusvadītāju ierīces tiek plaši izmantotas apgaismes sistēmās un kā elektriskās strāvas indikatori. Tie attiecas uz elektroniskām ierīcēm, kas darbojas zem pielietotā sprieguma.

Tā kā to vērtība ir nenozīmīga, šādi avoti pieder zemsprieguma ierīcēm un tiem ir augsta drošības pakāpe attiecībā uz elektriskās strāvas iedarbību uz cilvēka ķermeni. Traumu risks palielinās, ja to apgaismošanai izmanto paaugstināta sprieguma avotus, piemēram, mājas mājas tīklu, kura ķēdē ir jāiekļauj speciāli barošanas avoti.

Gaismas diodes dizaina atšķirīga iezīme ir augstāka korpusa mehāniskā izturība nekā Iļjiča un dienasgaismas spuldzēm. Pareizi darbojoties, tie darbojas ilgi un uzticami. Viņu resurss ir 100 reizes lielāks nekā kvēldiega pavedieniem, sasniedzot simts tūkstošus stundu.

Tomēr šis indikators ir raksturīgs indikatora dizainam. Lieljaudas avoti apgaismošanai izmanto lielas strāvas, un kalpošanas laiks tiek samazināts 2–5 reizes.

LED ierīce

Parastais indikators LED ir izgatavots epoksīda korpusā ar diametru 5 mm un diviem kontaktvadiem savienošanai ar elektriskās strāvas ķēdēm: anoda un katoda. Vizuāli tie atšķiras pēc garuma. Jaunai ierīcei bez sagrieztiem kontaktiem katods ir īsāks.

Šo nostāju palīdz atcerēties vienkāršs noteikums: abi vārdi sākas ar burtu “K”:

• katods;

• īsi sakot.

Kad gaismas diodes kājas ir nogrieztas, anodu var noteikt, kontaktiem pieliekot 1,5 voltu spriegumu no vienkārša pirksta akumulatora: gaisma parādās, kad sakrīt polaritātes.

Pusvadītāja gaismu izstarojošais aktīvais vienkristāls ir taisnstūra paralēlskaldņa formā. Tas ir novietots netālu no paraboliskā reflektora, kas izgatavots no alumīnija sakausējuma un uzstādīts uz pamatnes ar nevadošām īpašībām.

No polimēru materiāliem izgatavota caurspīdīga korpusa galā ir objektīva fokusēšanas gaismas stari. Tas kopā ar reflektoru veido optisko sistēmu, kas veido starojuma plūsmas leņķi. To raksturo gaismas diodes virziena shēma.

Tas raksturo gaismas novirzi no kopējās struktūras ģeometriskās ass uz sāniem, kas noved pie izkliedes palielināšanās. Šī parādība rodas sakarā ar nelielu tehnoloģiju pārkāpumu parādīšanos ražošanas laikā, kā arī optisko materiālu novecošanos darbības laikā un dažiem citiem faktoriem.

Korpusa apakšā var atrasties alumīnija vai misiņa josta, kas kalpo kā radiators, lai noņemtu siltumu, kas rodas elektriskās strāvas pārejas laikā.

Šis dizaina princips ir plaši izplatīts. Pamatojoties uz to, tiek izmantoti arī citi pusvadītāju gaismas avoti, izmantojot cita veida struktūras elementus.

Gaismas emisijas principi

P-n tipa pusvadītāju krustojums ir savienots ar pastāvīgu sprieguma avotu saskaņā ar spaiļu polaritāti.

P- un n-tipa vielu kontaktslānī zem tā darbības sākas brīvu negatīvi lādētu elektronu un caurumu kustība, kuriem ir pozitīvas uzlādes zīme. Šīs daļiņas ir vērstas pret to poliem.

Pārejas slānī lādiņi rekombinējas. Elektroni pāriet no vadītspējas joslas uz valences joslu, pārsniedzot Fermi līmeni.

Sakarā ar to daļa viņu enerģijas tiek atbrīvota, atbrīvojot dažādu spektru un spilgtuma gaismas viļņus. Viļņu frekvence un krāsu reproducēšana ir atkarīga no jaukto materiālu veida, no kuriem tie ir izgatavoti p-n krustojums.

Lai izstarotu gaismu pusvadītāja kodolā, ir jāizpilda divi nosacījumi:

1. Aizliegtā zonas laukumam aktīvajā reģionā jābūt tuvu izstaroto kvantu enerģijai frekvences diapazonā, kas redzams cilvēka acij.

2. Pusvadītāju kristāla materiālu tīrībai jābūt labai, un rekombinācijas procesu ietekmējošo defektu skaitam ir jābūt pēc iespējas mazākam.

Šī sarežģītā tehniskā problēma tiek atrisināta vairākos veidos. Viens no tiem ir vairāku p-n krustojumu slāņu izveidošana, kad veidojas sarežģīta heterostruktūra.

Temperatūras efekts

Palielinoties avota sprieguma līmenim, palielinās strāva caur pusvadītāju slāni un palielinās luminiscence: rekombinācijas zonā nonāk palielināts lādiņu skaits laika vienībā. Tajā pašā laikā tiek sildīti strāvu nesošie elementi. Tās vērtība ir kritiska iekšējo strāvas vadītāju materiālam un pn savienojuma vielai. Pārmērīga temperatūra var tos sabojāt, iznīcināt.

Gaismas diožu iekšpusē elektriskās strāvas enerģija tieši nonāk gaismā bez nevajadzīgiem procesiem: nevis kā ar lampām ar kvēldiega pavedieniem. Šajā gadījumā zemu vadošo elementu sildīšanas dēļ tiek radīti minimāli lietderīgās jaudas zudumi.

Sakarā ar to tiek radīta augsta šo avotu efektivitāte. Bet tos var izmantot tikai tur, kur pati konstrukcija ir aizsargāta, bloķēta no ārējas sildīšanas.

Apgaismojuma efektu īpašības

Rekombinējot caurumus un elektronus dažādos pn savienojuma vielu sastāvos, tiek radīta nevienmērīga gaismas emisija. Parasti to raksturo ar kvantu ražas parametru - iegūto gaismas kvantu skaitu vienam rekombinētam lādiņu pārim.

Tas ir izveidots un notiek divos gaismas diodes līmeņos:

1. paša pusvadītāja savienojuma iekšpusē - iekšējs;

2. visa LED dizaina kopumā - ārējs.

Pirmajā līmenī pareizi izpildītu monokristālu kvantu iznākums var sasniegt vērtību, kas ir tuvu 100%. Bet, lai nodrošinātu šo indikatoru, ir nepieciešams radīt lielas straumes un spēcīgu siltuma izkliedi.

Pašā avota iekšpusē otrajā līmenī daļa gaismas tiek izkliedēta un absorbēta ar konstrukcijas elementiem, kas samazina kopējo starojuma efektivitāti. Kvantu ražas maksimālā vērtība ir daudz mazāka. Gaismas diodēm, kas izstaro sarkanu spektru, tas sasniedz ne vairāk kā 55%, bet zilajiem - vēl vairāk - līdz 35%.

Krāsu gaismas caurlaidības veidi

Mūsdienu gaismas diodes izstaro:

• dzeltens:

• zaļš

• sarkans

• zils

• zils

• balta gaisma.

Dzelteni zaļš, dzeltens un sarkans spektrs

Pn krustojuma pamatā ir gallija fosfīdi un arsenīdi. Šī tehnoloģija tika ieviesta 60. gadu beigās elektronisko ierīču indikatoriem un transporta aprīkojuma vadības paneļiem, informācijas stendiem.

Šādas gaismas izvades ierīces nekavējoties pārspēja tā laika galvenos gaismas avotus - kvēlspuldzes un pārspēja tās ar uzticamību, resursiem un drošību.

Zilais spektrs

Zilo, zili zaļo un it īpaši balto spektru izstarotāji ilgu laiku nebija praktiski izmantojami, jo bija sarežģīti risināt divas tehniskas problēmas:

1. ierobežotas aizliegtas zonas lielums, kurā tiek veikta rekombinācija;

2. augstas prasības piemaisījumu saturam.

Katram zilā spektra spilgtuma palielināšanas solim bija nepieciešama kvantitātes enerģijas palielināšana, jo tika paplašināta aizliegtā zona.

Jautājums tika atrisināts, iekļaujot silīcija karbīdus SiC vai nitrīdus pusvadītāju vielā. Bet pirmās grupas sasniegumiem izrādījās pārāk zema efektivitāte un neliels kvantu starojuma ieguvums vienam rekombinētajam lādiņu pārim.

Cinka selenīda cieto šķīdumu iekļaušana pusvadītāju krustojumā palīdzēja palielināt kvantu ražu. Bet šādām gaismas diodēm bija paaugstināta elektriskā pretestība krustojumā.Sakarā ar to viņi pārkarsēja un ātri izdegās, un sarežģītās konstrukcijas siltuma noņemšanas ražošanā viņiem nedarbojās efektīvi.

Pirmo reizi zils gaismas diode tika izveidots, izmantojot plānas gallija nitrīda plēves, kas nogulsnētas uz safīra substrāta.

Baltais spektrs

Lai to iegūtu, izmantojiet vienu no trim izstrādātajām tehnoloģijām:

1. krāsu sajaukšana pēc RGB metodes;

2. ultravioletās gaismas diodei uzliek trīs sarkanā, zaļā un zilā fosfora slāņus;

3. zilās gaismas diodes pārklāšana ar dzeltenzaļās un zaļsarkanās fosfora slāņiem.

Pirmajā metodē uz vienas matricas vienlaikus ievieto trīs atsevišķus kristālus, no kuriem katrs izstaro savu RGB spektru. Tā kā uz objektīviem balstītā optiskā sistēma ir izstrādāta, šīs krāsas ir sajauktas, un iegūtais iznākums ir balts nokrāsa.

Alternatīvā metodē krāsu sajaukšanās notiek pēc kārtas triju fosfora slāņu apstarošanas ar ultravioleto starojumu.

Baltā spektra tehnoloģijas iezīmes

RGB tehnika

Tas ļauj jums:

• apgaismojuma vadības algoritmā iesaistīt dažādas atsevišķu kristālu kombinācijas, savienojot tās pārmaiņus manuāli vai ar automatizētu programmu;

• izraisīt dažādas krāsu nokrāsas, kas laika gaitā mainās;

• izveidot iespaidīgas apgaismojuma sistēmas reklāmai.

Vienkāršs šādas ieviešanas piemērs ir krāsainas Ziemassvētku vītnes. Līdzīgus algoritmus plaši izmanto arī dizaineri.

RGB gaismas diožu trūkumi ir:

• neviendabīga gaismas vietas krāsa centrā un malās;

• nevienmērīga sildīšana un siltuma noņemšana no matricas virsmas, kas noved pie dažādiem p-n krustojumu novecošanās ātrumiem, ietekmē krāsu līdzsvarošanu, mainot baltā spektra vispārējo kvalitāti.

Šos trūkumus rada atšķirīgais atsevišķo kristālu izvietojums uz pamatnes virsmas. Tos ir grūti salabot un konfigurēt. Šīs tehnoloģijas dēļ RGB modeļi ir vieni no sarežģītākajiem un dārgākajiem dizainparaugiem.

Gaismas diodes ar fosforu

Tie ir vienkāršāka dizaina, lētāki izgatavojami, ekonomiskāki, tos pārveidojot gaismas plūsmas starojuma vienībās.

Viņus raksturo trūkumi:

• fosfora slānī ir gaismas enerģijas zudumi, kas samazina gaismas izlaidi;

• vienveidīga fosfora slāņa uzklāšanas tehnoloģijas sarežģītība ietekmē krāsas temperatūras kvalitāti;

• Fosfora kalpošanas laiks ir īsāks nekā pašas gaismas diodes, un lietošanas laikā tas noveco ātrāk.

Dažādu dizainu gaismas diožu īpašības

Fosfora modeļi un RGB produkti ir izveidoti dažādiem rūpnieciskiem un vietējiem lietojumiem.

Uztura metodes

Pirmās masas izlaides indikatora gaismas diode patērē apmēram 15 mA, ja to darbina no nedaudz zemākas vērtības nekā divi pastāvīga sprieguma volti. Mūsdienu izstrādājumiem ir uzlabotas īpašības: līdz četriem voltiem un 50 mA.

Apgaismošanas gaismas diodes darbina ar tādu pašu spriegumu, bet jau patērē vairākus simtus miliampēru. Tagad ražotāji aktīvi izstrādā un projektē ierīces ar jaudu 1 A.

Lai palielinātu gaismas izvades efektivitāti, tiek izveidoti LED moduļi, kas var izmantot secīgu sprieguma padevi katram elementam. Šajā gadījumā tā vērtība palielinās līdz 12 vai 24 voltiem.

Pieliekot gaismas diodei spriegumu, ir jāņem vērā polaritāte. Kad tas ir salauzts, strāva nepāriet, un mirdzuma nebūs. Ja tiek izmantots mainīgs sinusoidāls signāls, mirdzums rodas tikai tad, kad iet pozitīvs pusviļnis. Turklāt tā stiprums proporcionāli mainās arī saskaņā ar likumiem, pēc kuriem tiek parādīts atbilstošais strāvas stiprums ar polāro virzienu.

Jāpatur prātā, ka ar apgrieztu spriegumu ir iespējams pusvadītāju krustojuma sadalījums. Tas rodas, pārsniedzot 5 voltus uz viena kristāla.

Pārvaldības metodes

Lai pielāgotu izstarotās gaismas spilgtumu, tiek izmantota viena no divām vadības metodēm:

1. pievienotā sprieguma lielums;

2. izmantojot Impulsa platuma modulācija - PWM.

Pirmā metode ir vienkārša, bet neefektīva. Kad sprieguma līmenis nokrītas zem noteikta sliekšņa, gaismas diode var vienkārši nodzist.

PWM metode novērš šo parādību, taču tehniskajā ieviešanā tā ir daudz sarežģītāka. Strāvu, kas iet caur viena kristāla pusvadītāju krustojumu, piegādā nevis ar nemainīgu formu, bet ar impulsu ar augstu frekvenci ar vērtību no vairākiem simtiem līdz tūkstoš herci.

Mainot impulsu platumu un pauzes starp tiem (procesu sauc par modulāciju), mirdzuma spilgtums tiek noregulēts plašā diapazonā. Šo straumju veidošanos caur atsevišķiem kristāliem veic speciāli programmējami vadības bloki ar sarežģītiem algoritmiem.

Emisijas spektrs

Izstarojuma frekvence, kas rodas no LED, atrodas ļoti šaurā reģionā. To sauc par monohromatisku. Tas būtiski atšķiras no Saules izstaroto viļņu spektra vai parasto apgaismes lampu kvēldiega kvēldiega.

Par šāda apgaismojuma ietekmi uz cilvēka aci tiek daudz diskutēts. Tomēr šī jautājuma nopietnu zinātnisko analīžu rezultāti mums nav zināmi.

Ražošana

Gaismas diožu ražošanā tiek izmantota tikai automātiska līnija, kurā robotu mašīnas darbojas saskaņā ar iepriekš izstrādātu tehnoloģiju.

Cilvēka fiziskais roku darbs ir pilnībā izslēgts no ražošanas procesa.

Apmācīti speciālisti kontrolē tikai pareizu tehnoloģiju gaitu.

Produktu atbildība ir arī par produktu kvalitātes analīzi.