Hoe de LED's zijn gerangschikt en werken

Lichtemitterende halfgeleiderapparaten worden veel gebruikt voor verlichtingssystemen en als indicatoren voor elektrische stroom. Ze hebben betrekking op elektronische apparaten die werken onder de aangelegde spanning.

Omdat de waarde ervan onbeduidend is, behoren dergelijke bronnen tot laagspanningsapparatuur en hebben ze een verhoogde mate van veiligheid met betrekking tot het effect van elektrische stroom op het menselijk lichaam. Het risico op letsel neemt toe wanneer bronnen van verhoogde spanning, bijvoorbeeld een huishoudelijk thuisnetwerk, waarvoor speciale voedingen in het circuit moeten worden opgenomen, worden gebruikt om deze te verlichten.

Een onderscheidend kenmerk van het ontwerp van de LED is een hogere mechanische sterkte van de behuizing dan die van Illich en fluorescentielampen. Met de juiste werking werken ze lang en betrouwbaar. Hun bron is 100 keer hoger dan die van gloeilampen en bereikt honderdduizend uur.

Deze indicator is echter kenmerkend voor indicatorontwerpen. Krachtige bronnen gebruiken hoge stromen voor verlichting en de levensduur wordt 2-5 keer verkort.

LED-apparaat

Een conventionele indicatieled wordt gemaakt in een epoxykast met een diameter van 5 mm en twee contactdraden voor aansluiting op elektrische stroomkringen: anode en kathode. Visueel verschillen ze in lengte. Het nieuwe apparaat zonder gesneden contacten heeft een kortere kathode.

Een eenvoudige regel helpt om deze positie te onthouden: beide woorden beginnen met de letter "K":

• kathode;

• kortom.

Wanneer de poten van de LED worden afgesneden, kan de anode worden bepaald door 1,5 volt spanning van een eenvoudige vingerbatterij op de contacten aan te leggen: het licht verschijnt wanneer de polariteiten samenvallen.

Het lichtgevende actieve enkelvoudige kristal van een halfgeleider heeft de vorm van een rechthoekige parallellepipedum. Het wordt geplaatst in de buurt van een parabolische reflector van aluminiumlegering en gemonteerd op een substraat met niet-geleidende eigenschappen.

Aan het einde van een transparante transparante behuizing gemaakt van polymere materialen, bevindt zich een lens die lichtstralen focust. Het vormt samen met de reflector een optisch systeem dat de hoek van de stralingsflux vormt. Het wordt gekenmerkt door het directiviteitspatroon van de LED.

Het karakteriseert de afwijking van het licht van de geometrische as van de totale structuur naar de zijkanten, wat leidt tot een toename van de verstrooiing. Dit fenomeen doet zich voor vanwege het optreden van kleine schendingen van de technologie tijdens de productie, evenals de veroudering van optische materialen tijdens de werking en enkele andere factoren.

Een riem van aluminium of messing kan zich aan de onderkant van de behuizing bevinden en dienen als een radiator om de warmte te verwijderen die wordt gegenereerd tijdens de doorgang van elektrische stroom.

Dit ontwerpprincipe is wijdverbreid. Op basis daarvan worden ook andere halfgeleiderlichtbronnen gecreëerd met behulp van andere vormen van structurele elementen.

Principes van lichtemissie

De halfgeleiderovergang van het p-n-type is verbonden met een constante spanningsbron in overeenstemming met de polariteit van de klemmen.

Binnen de contactlaag van p- en n-type substanties, onder zijn actie, begint de beweging van vrije negatief geladen elektronen en gaten, die een positief ladingsteken hebben. Deze deeltjes zijn gericht op hun polen.

In de overgangslaag combineren de ladingen. Elektronen gaan van de geleidingsband naar de valentieband en overwinnen het Fermi-niveau.

Hierdoor wordt een deel van hun energie vrijgegeven met de afgifte van lichtgolven met verschillende spectra en helderheid. Golffrequentie en kleurreproductie hangen af ​​van het type gemengde materialen waarvan het is gemaakt p-n kruising.

Om licht in de halfgeleiderkern uit te stralen, moet aan twee voorwaarden worden voldaan:

1. de ruimte van de verboden zone in de breedte in het actieve gebied moet dicht bij de energie van de uitgezonden quanta liggen binnen het frequentiebereik dat zichtbaar is voor het menselijk oog;

2. De zuiverheid van de materialen van het halfgeleiderkristal moet hoog zijn en het aantal defecten dat het recombinatieproces beïnvloedt, is het minimaal mogelijke.

Dit moeilijke technische probleem is op verschillende manieren opgelost. Een daarvan is het creëren van meerdere lagen p-n-kruispunten wanneer een complexe heterostructuur wordt gevormd.

Temperatuur effect

Naarmate het bronspanningsniveau toeneemt, neemt de stroom door de halfgeleiderlaag toe en neemt de luminescentie toe: een groter aantal ladingen per tijdseenheid komt de recombinatiezone binnen. Tegelijkertijd worden stroomvoerende elementen verwarmd. De waarde ervan is van cruciaal belang voor het materiaal van interne stroomgeleiders en de substantie van de pn-overgang. Overmatige temperaturen kunnen ze beschadigen, vernietigen.

Binnen de LED's gaat de energie van de elektrische stroom direct in het licht, zonder onnodige processen: niet zoals bij lampen met gloeidraden. In dit geval worden minimale verliezen aan nuttig vermogen gevormd vanwege de lage verwarming van de geleidende elementen.

Hierdoor wordt een hoog rendement van deze bronnen gecreëerd. Maar ze kunnen alleen worden gebruikt waar de structuur zelf wordt beschermd, geblokkeerd tegen externe verwarming.

Kenmerken van lichteffecten

Bij recombinatie van gaten en elektronen in verschillende samenstellingen van de pn-overgangsstoffen wordt ongelijke lichtemissie gecreëerd. Het is gebruikelijk om het te karakteriseren door de parameter van de kwantumopbrengst - het aantal geëxtraheerde lichtquanta voor een enkelvoudig gerecombineerd paar ladingen.

Het wordt gevormd en vindt plaats op twee niveaus van de LED:

1. in de halfgeleiderovergang zelf - intern;

2. in het ontwerp van de gehele LED als geheel - extern.

Op het eerste niveau kan de kwantumopbrengst van correct uitgevoerde enkele kristallen een waarde van bijna 100% bereiken. Maar om deze indicator te waarborgen, is het vereist om grote stromen en krachtige warmteafvoer te creëren.

In de bron zelf, op het tweede niveau, wordt een deel van het licht verstrooid en geabsorbeerd door structurele elementen, wat de algehele stralingsefficiëntie vermindert. De maximale waarde van de kwantumopbrengst is veel minder. Voor LED's die een rood spectrum uitzenden, bereikt het niet meer dan 55%, terwijl voor blauw het nog meer afneemt - tot 35%.

Soorten kleurenlichttransmissie

Moderne LED's zenden uit:

• geel:

• groen;

• rood;

• blauw;

• blauw;

• wit licht.

Geelgroen, geel en rood spectrum

De pn-overgang is gebaseerd op galliumfosfiden en arseniden. Deze technologie werd in de late jaren 60 geïmplementeerd voor indicatoren van elektronische apparaten en bedieningspanelen van transportapparatuur, billboards.

Dergelijke lichtuitvoerapparaten haalden onmiddellijk de belangrijkste lichtbronnen van die tijd in - gloeilampen en overtroffen ze in betrouwbaarheid, hulpbronnen en veiligheid.

Blauw spectrum

De emitters van de blauwe, blauwgroene en vooral witte spectra lenen zich lange tijd niet voor praktische implementatie vanwege de moeilijkheden van een complexe oplossing van twee technische problemen:

1. beperkte grootte van de verboden zone waarin de recombinatie wordt uitgevoerd;

2. hoge eisen voor het gehalte aan onzuiverheden.

Voor elke stap van het verhogen van de helderheid van het blauwe spectrum was een toename van de kwanta-energie vereist vanwege de uitbreiding van de breedte van de verboden zone.

Het probleem werd opgelost door de opname van siliciumcarbiden SiC of nitriden in de halfgeleidersubstantie. Maar de ontwikkelingen van de eerste groep bleken een te lage efficiëntie en een kleine opbrengst aan kwantumstraling te hebben voor één gerecombineerd paar ladingen.

De opname van solide oplossingen van zinkselenide in de halfgeleiderovergang hielp de kwantumopbrengst te verhogen. Maar dergelijke LED's hadden een verhoogde elektrische weerstand op de kruising.Hierdoor zijn ze oververhit geraakt en snel uitgebrand, en de complexe structuren bij de vervaardiging van warmteafvoer voor hen werkten niet effectief.

Voor het eerst werd een blauwe LED gecreëerd met behulp van dunne films van galliumnitride afgezet op een saffiersubstraat.

Wit spectrum

Gebruik een van de drie ontwikkelde technologieën om dit te verkrijgen:

1. kleurmenging volgens de RGB-methode;

2. het aanbrengen van drie lagen rode, groene en blauwe fosfor op de ultraviolette LED;

3. coating van de blauwe LED met lagen geelgroene en groenrode fosfor.

In de eerste methode worden drie enkele kristallen tegelijk op een enkele matrix geplaatst, die elk hun eigen RGB-spectrum uitzenden. Vanwege het ontwerp van het lensgebaseerde optische systeem zijn deze kleuren gemengd en heeft de resulterende output een totale witte tint.

In een alternatieve methode vindt kleurmenging plaats door opeenvolgende bestraling met ultraviolette straling van de drie samenstellende fosforlagen.

Kenmerken van witte spectrumtechnologie

RGB-techniek

Hiermee kunt u:

• betrek verschillende combinaties van enkele kristallen in het lichtregelalgoritme en verbind ze afwisselend handmatig of met een geautomatiseerd programma;

• veroorzaken verschillende kleurtinten die in de loop van de tijd veranderen;

• creëer spectaculaire verlichtingssystemen voor reclame.

Een eenvoudig voorbeeld van een dergelijke implementatie is kleur kerst slingers. Soortgelijke algoritmen worden ook veel gebruikt door ontwerpers.

De nadelen van RGB-LED's zijn:

• heterogene kleur van de lichtvlek in het midden en de randen;

• ongelijke verwarming en warmteafvoer van het matrixoppervlak, wat leidt tot verschillende verouderingssnelheden van p-n-overgangen, waardoor de kleurbalans wordt beïnvloed en de algehele kwaliteit van het witte spectrum verandert.

Deze nadelen worden veroorzaakt door de verschillende plaatsing van enkele kristallen op het basisoppervlak. Ze zijn moeilijk te repareren en te configureren. Dankzij deze technologie behoren RGB-modellen tot de meest complexe en dure ontwerpen.

LED's met fosfor

Ze zijn eenvoudiger van ontwerp, goedkoper om te produceren, zuiniger als ze worden omgezet in stralingseenheden met een lichtstroom.

Ze worden gekenmerkt door nadelen:

• in de fosforlaag zijn er verliezen van lichtenergie, die de lichtopbrengst verminderen;

• de complexiteit van de technologie voor het aanbrengen van een uniforme fosforlaag beïnvloedt de kleurtemperatuurkwaliteit;

• De fosfor heeft een kortere levensduur dan de LED zelf en veroudert sneller tijdens gebruik.

Kenmerken van LED's van verschillende ontwerpen

Fosformodellen en RGB-producten zijn gemaakt voor verschillende industriële en huishoudelijke toepassingen.

Voedingsmethoden

De indicatieled van de eerste massa-releases verbruikt ongeveer 15 mA wanneer gevoed door een iets lagere waarde dan twee volt constante spanning. Moderne producten hebben verbeterde eigenschappen: tot vier volt en 50 mA.

LED's voor verlichting worden gevoed door dezelfde spanning, maar verbruiken al enkele honderden milliampère. Fabrikanten ontwikkelen en ontwerpen nu actief apparaten tot 1 A.

Om de efficiëntie van de lichtopbrengst te vergroten, worden LED-modules gemaakt die een sequentiële voedingsspanning naar elk element kunnen gebruiken. In dit geval neemt de waarde toe tot 12 of 24 volt.

Bij het aanleggen van spanning op de LED moet rekening worden gehouden met de polariteit. Wanneer het wordt onderbroken, gaat de stroom niet over en zal er geen gloed zijn. Als een alternerend sinusvormig signaal wordt gebruikt, treedt de gloed alleen op wanneer een positieve halve golf passeert. Bovendien verandert zijn sterkte ook evenredig volgens de wet van het verschijnen van de overeenkomstige stroomsterkte met een polaire richting.

Er moet rekening mee worden gehouden dat bij een omgekeerde spanning een afbraak van een halfgeleiderovergang mogelijk is. Het treedt op bij meer dan 5 volt op één kristal.

Management methoden

Om de helderheid van het uitgestraalde licht aan te passen, wordt een van de twee besturingsmethoden gebruikt:

1. de grootte van de aangesloten spanning;

2. gebruiken Pulsbreedtemodulatie - PWM.

De eerste methode is eenvoudig maar inefficiënt. Wanneer het spanningsniveau onder een bepaalde drempel daalt, kan de LED eenvoudig uitgaan.

De PWM-methode elimineert dit fenomeen, maar het is veel gecompliceerder in technische implementatie. De stroom die door de halfgeleiderovergang van het enkele kristal gaat, wordt niet geleverd door een constante vorm, maar door een gepulseerde hoge frequentie met een waarde van enkele honderden tot duizend hertz.

Door de breedte van de pulsen en de pauzes daartussen te veranderen (het proces wordt modulatie genoemd), wordt de helderheid van de gloed over een breed bereik aangepast. De vorming van deze stromen door enkele kristallen wordt uitgevoerd door speciale programmeerbare besturingseenheden met complexe algoritmen.

Emissiespectrum

De frequentie van de straling die uit de LED komt, ligt in een zeer smal gebied. Het wordt monochromatisch genoemd. Het is fundamenteel anders dan het spectrum van golven afkomstig van de zon of de gloeilampen van gewone gloeilampen.

Er is veel discussie over het effect van dergelijke verlichting op het menselijk oog. De resultaten van serieuze wetenschappelijke analyses van deze kwestie zijn ons echter onbekend.

productie

Bij de productie van LED's wordt alleen een automatische lijn gebruikt, waarin robotmachines volgens een vooraf ontworpen technologie werken.

De fysieke handarbeid van een persoon is volledig uitgesloten van het productieproces.

Getrainde specialisten hebben alleen controle over het juiste verloop van de technologie.

Analyse van de kwaliteit van producten is ook hun verantwoordelijkheid.