Hur lysdioderna är ordnade och fungerar

Ljusemitterande halvledaranordningar används ofta för belysningssystem och som indikatorer för elektrisk ström. De avser elektroniska apparater som arbetar under den applicerade spänningen.

Eftersom dess värde är obetydligt hör sådana källor till lågspänningsanordningar och har en hög grad av säkerhet när det gäller effekten av elektrisk ström på människokroppen. Riskerna för skador ökar när källor till ökad spänning, till exempel ett hushållens hemnätverk, som kräver att särskilda strömförsörjningar inkluderas i kretsen, används för att belysa dem.

Ett utmärkande kännetecken för LED-konstruktionen är en högre mekanisk hållfasthet i huset än hos Ilyich och lysrör. Med korrekt drift arbetar de länge och pålitligt. Deras resurs är 100 gånger högre än för glödtrådar och når hundra tusen timmar.

Denna indikator är dock karakteristisk för indikatorkonstruktioner. Högeffektkällor använder höga strömmar för belysning och livslängden reduceras med 2–5 gånger.

LED-enhet

En konventionell indikator-LED är tillverkad i ett epoxyfodral med en diameter på 5 mm och två kontaktledningar för anslutning till elektriska strömkretsar: anod och katod. Visuellt skiljer de sig i längd. Den nya enheten utan klippta kontakter har en kortare katod.

En enkel regel hjälper till att komma ihåg denna position: båda orden börjar med bokstaven "K":

• katod;

• kort sagt.

När benen på lysdioden är avskuren kan anoden bestämmas genom att applicera 1,5 volt spänning från ett enkelt fingerbatteri på kontakterna: ljuset visas när polariteterna sammanfaller.

Den ljusemitterande aktiva enkristallen i en halvledare har formen av en rektangulär parallellpiped. Den placeras nära en parabolisk reflektor tillverkad av aluminiumlegering och monteras på ett underlag med icke-ledande egenskaper.

I slutet av ett genomskinligt genomskinligt fodral gjord av polymera material finns det en lins som fokuserar ljusstrålar. Den bildar tillsammans med reflektorn ett optiskt system som bildar strålningsflödesvinkeln. Det kännetecknas av LED-riktningens mönster.

Det kännetecknar avvikelsen av ljus från den geometriska axeln för den totala strukturen till sidorna, vilket leder till ökad spridning. Detta fenomen uppstår på grund av utseendet på små tekniska kränkningar under produktionen, liksom åldrandet av optiska material under drift och vissa andra faktorer.

Ett aluminium- eller mässingsbälte kan vara beläget längst ned i höljet och tjäna som en radiator för att avlägsna värme som genereras under passagen av elektrisk ström.

Denna designprincip är utbredd. På grundval av detta skapas också andra halvledar-ljuskällor med andra former av strukturella element.

Principer för ljusemission

Halvledarkopplingen av p-n-typ är ansluten till en konstant spänningskälla i enlighet med polarnas polaritet.

Inuti kontaktlagret av ämnen av p- och n-typ, under dess verkan, börjar rörelsen av fritt negativt laddade elektroner och hål, som har ett positivt laddningstecken. Dessa partiklar riktas mot deras poler.

I övergångsskiktet kombineras laddningarna igen. Elektroner passerar från ledningsbandet till valensbandet och övervinner Fermi-nivån.

På grund av detta frigörs en del av deras energi med frisläppandet av ljusvågor med olika spektra och ljusstyrka. Vågfrekvens och färgåtergivning beror på typen av blandade material som det är tillverkat av p-n-korsningen.

För strålning av ljus i den aktiva zonen i en halvledare måste två villkor vara uppfyllda:

1. utrymmet för den förbjudna zonen i bredden i det aktiva området bör vara nära energin från den utsända kvanten inom det frekvensområde som är synligt för det mänskliga ögat;

2. Renheten hos materialen i halvledarkristallen måste vara hög, och antalet defekter som påverkar rekombinationsprocessen är det minsta möjliga.

Detta svåra tekniska problem löses på flera sätt. En av dem är skapandet av flera lager av p-n-korsningar när en komplex heterostruktur bildas.

Temperatureffekt

När källspänningsnivån ökar ökar strömmen genom halvledarskiktet och luminescensen ökar: ett ökat antal laddningar per tidsenhet kommer in i rekombinationszonen. Samtidigt värms strömbärande element upp. Dess värde är avgörande för materialet i inre strömledare och substansen i pn-korsningen. Överdriven temperaturer kan skada dem, förstöra dem.

Inuti lysdioderna passerar den elektriska strömmen direkt in i ljuset utan onödiga processer: inte som med lampor med glödtrådar. I detta fall bildas minimala förluster av användbar kraft på grund av den låga uppvärmningen av ledande element.

På grund av detta skapas hög effektivitet hos dessa källor. Men de kan endast användas där själva strukturen är skyddad, blockerad från extern uppvärmning.

Funktioner av ljuseffekter

Vid rekombination av hål och elektroner i olika kompositioner av pn-övergångsämnena skapas ojämn ljusemission. Det är vanligt att karakterisera det med parametern för kvantutbytet - antalet extraherade ljuskvanta för ett enda rekombinerat laddningspar.

Den bildas och förekommer i två nivåer av lysdioden:

1. inuti själva halvledarkorsningen - internt;

2. i utformningen av hela lysdioden som helhet - extern.

Vid den första nivån kan kvantutbytet av korrekt exekverade enstaka kristaller nå ett värde nära 100%. Men för att säkerställa denna indikator krävs det stora strömmar och kraftfull värmeavledning.

Inuti själva källan, på den andra nivån, sprids och absorberas en del av ljuset av strukturella element, vilket minskar den totala strålningseffektiviteten. Det maximala värdet på kvantutbytet är mycket mindre. För lysdioder som avger ett rött spektrum når den upp till 55%, medan den för blått minskar ännu mer - upp till 35%.

Typer av färg ljusöverföring

Moderna lysdioder avger:

• gul:

• grönt;

• röd;

• blått;

• blått;

• vitt ljus.

Gulgrön, gul och röd spektrum

Pn-korsningen är baserad på galliumfosfider och arsenider. Denna teknik implementerades i slutet av 60-talet för indikatorer för elektroniska enheter och kontrollpaneler för transportutrustning, skyltar.

Sådana ljusutmatningsanordningar övergick omedelbart de viktigaste ljuskällorna för den tiden - glödlampor och överträffade dem i tillförlitlighet, resurs och säkerhet.

Blå spektrum

Sändarna från de blå, blågröna och speciellt vita spektra lånade sig inte till praktisk implementering under lång tid på grund av svårigheterna med komplex lösning av två tekniska problem:

1. begränsad storlek på den förbjudna zonen där rekombinationen utförs;

2. höga krav på föroreningarnas innehåll.

För varje steg för att öka ljusstyrkan hos det blå spektrumet krävdes en ökning av kvantas energi på grund av utvidgningen av bredden på den förbjudna zonen.

Frågan löstes genom införandet av kiselkarbider SiC eller nitrider i halvledarsubstansen. Men utvecklingen av den första gruppen visade sig ha för låg effektivitet och ett litet utbyte av kvantstrålning för ett rekombinerat laddningspar.

Införandet av fasta zink-selenidlösningar i halvledarföreningen hjälpte till att öka kvantutbytet. Men sådana lysdioder hade ett högt elektriskt motstånd vid korsningen.På grund av detta överhettades de och brände snabbt ut, och de komplexa strukturerna för tillverkning av värmeavlägsnande för dem fungerade inte effektivt.

För första gången skapades en blå LED med tunna filmer av galliumnitrid avsatt på ett safirunderlag.

Vitt spektrum

Använd en av tre utvecklade tekniker för att få den:

1. färgblandning enligt RGB-metoden;

2. applicera tre lager röd, grön och blå fosfor på den ultravioletta lysdioden;

3. beläggning av den blå lysdioden med lager av gulgrön och grönröd fosfor.

I den första metoden placeras tre enskilda kristaller på en enda matris samtidigt, som var och en avger sitt eget RGB-spektrum. På grund av utformningen av det linsbaserade optiska systemet blandas dessa färger och den resulterande effekten är en total vit färg.

I en alternativ metod sker färgblandning på grund av successiv bestrålning med ultraviolett strålning av de tre bestående fosforlagren.

Funktioner i vitspektrumsteknik

RGB-teknik

Det låter dig:

• involvera olika kombinationer av enstaka kristaller i belysningskontrollalgoritmen, koppla dem växelvis manuellt eller med ett automatiserat program;

• orsaka olika färgnyanser som förändras över tid;

• skapa spektakulära belysningssystem för reklam.

Ett enkelt exempel på en sådan implementering är färg jul kransar. Liknande algoritmer används också ofta av designers.

Nackdelarna med RGB-lysdioder är:

• heterogen färg på ljusfläcken i mitten och kanterna;

• ojämn uppvärmning och värmeavlägsnande från matrisytan, vilket leder till olika åldrande av p-n-korsningar, vilket påverkar färgbalansering, ändrar den totala kvaliteten på det vita spektrumet.

Dessa nackdelar orsakas av det olika arrangemanget av enstaka kristaller på basytan. De är svåra att fixa och konfigurera. På grund av denna teknik är RGB-modeller bland de mest komplexa och dyra konstruktionerna.

Lysdioder med fosfor

De är enklare i utformningen, billigare att tillverka, mer ekonomiska när de omvandlas till strålningsenheter med ljusflöde.

De kännetecknas av nackdelar:

• i fosforlagret finns det förluster av ljusenergi, vilket minskar ljuseffekten;

• teknikens komplexitet för applicering av ett enhetligt fosforlager påverkar färgtemperaturens kvalitet;

• Fosforen har en mindre resurs än själva lysdioden och åldras snabbare under drift.

Funktioner i lysdioder med olika design

Fosformodeller och RGB-produkter skapas för olika industriella och hushållsapplikationer.

Näringsmetoder

Indikatorlampan för den första massan frigörs förbrukad cirka 15 mA när den drivs från något lägre värde än två volt konstant spänning. Moderna produkter har förbättrade egenskaper: upp till fyra volt och 50 mA.

Lysdioder för belysning drivs av samma spänning, men konsumerar redan flera hundra milliampar. Tillverkarna utvecklar nu och utformar aktivt enheter upp till 1 A.

För att öka ljuseffektens effektivitet skapas LED-moduler som kan använda en sekventiell spänningsförsörjning till varje element. I detta fall ökar dess värde till 12 eller 24 volt.

Vid spänning på lysdioden måste polariteten beaktas. När den är trasig passerar inte strömmen och det blir ingen glöd. Om en växlande sinusformad signal används, uppstår glödet endast när en positiv halvvåg passerar. Dessutom förändras dess styrka proportionellt enligt lagen för utseendet på motsvarande strömstyrka med en polär riktning.

Det bör noteras att med en backspänning är en nedbrytning av halvledarkopplingen möjlig. Det inträffar när man överskrider 5 volt på en enda kristall.

Hanteringsmetoder

För att justera ljusstyrkan för det utsända ljuset används en av två kontrollmetoder:

1. storleken på den anslutna spänningen;

2. använda Pulsbreddmodulering - PWM.

Den första metoden är enkel men ineffektiv. När spänningsnivån sjunker under en viss tröskel kan lysdioden helt enkelt slockna.

PWM-metoden eliminerar detta fenomen, men det är mycket mer komplicerat i teknisk implementering. Strömmen som passerar genom halvledarföreningen av enkelkristallen tillförs inte av en konstant form utan av en pulserad högfrekvens med ett värde från flera hundra till tusen hertz.

Genom att ändra bredden på pulserna och pauserna mellan dem (processen kallas modulering) justeras glödens ljusstyrka över ett brett område. Bildningen av dessa strömmar genom enstaka kristaller utförs av speciella programmerbara styrenheter med komplexa algoritmer.

Utsläppspektrum

Frekvensen för strålningen som kommer från lysdioden ligger i ett mycket smalt område. Det kallas monokromatiskt. Det skiljer sig i grunden från spektrumet av vågor som härstammar från solen eller glödtrådarna från vanliga glödlampor.

Det diskuteras mycket om effekten av sådan belysning på det mänskliga ögat. Resultaten av allvarliga vetenskapliga analyser av denna fråga är dock okända för oss.

produktion

Vid tillverkning av lysdioder används endast en automatisk linje där robotmaskiner arbetar enligt en förutformad teknik.

En persons fysiska manuella arbete är helt utesluten från produktionsprocessen.

Utbildade specialister utför endast kontroll över rätt teknik.

Analys av produkternas kvalitet är också deras ansvar.