Jak jsou LED uspořádány a jak fungují

Polovodičová zařízení emitující světlo se široce používají pro osvětlovací systémy a jako indikátory elektrického proudu. Vztahují se na elektronická zařízení pracující pod napětím.

Protože jeho hodnota je zanedbatelná, patří takové zdroje k nízkonapěťovým zařízením a mají vysoký stupeň bezpečnosti, pokud jde o vliv elektrického proudu na lidské tělo. Riziko zranění se zvyšuje, když se k jejich osvětlení používají zdroje domácího napětí, například domácí domácí síť, která vyžaduje zapojení speciálních zdrojů energie do obvodu.

Charakteristickým znakem konstrukce LED je vyšší mechanická pevnost pouzdra než u Iljičových a zářivek. Při správném provozu pracují dlouho a spolehlivě. Jejich zdroj je 100krát vyšší než zdroj žárovek a dosahuje sto tisíc hodin.

Tento indikátor je však charakteristický pro konstrukci indikátorů. Vysokonapěťové zdroje používají pro osvětlení vysoké proudy a životnost se zkracuje 2–5krát.

LED zařízení

Běžná indikační LED je vyrobena z epoxidového pouzdra o průměru 5 mm a dvou kontaktních vodičů pro připojení k elektrickým proudovým obvodům: anoda a katoda. Vizuálně se liší délkou. U nového zařízení bez přerušených kontaktů je katoda kratší.

Toto pravidlo si pamatuje jednoduché pravidlo: obě slova začínají písmenem „K“:

• katoda;

• zkrátka.

Když jsou nožičky LED odříznuty, anoda může být stanovena přivedením 1,5 V napětí z baterie jednoduchého prstu na kontakty: světlo se objeví, když se polarita shoduje.

Světlo emitující aktivní monokrystal polovodiče má tvar pravoúhlého rovnoběžníku. Je umístěn v blízkosti parabolického reflektoru vyrobeného ze slitiny hliníku a namontován na substrát s nevodivými vlastnostmi.

Na konci průhledného transparentního pouzdra vyrobeného z polymerních materiálů je světelný paprsek zaostřující na čočku. Spolu s reflektorem tvoří optický systém, který vytváří úhel toku záření. Je charakterizován směrovým vzorem LED.

Charakterizuje odchylku světla od geometrické osy celkové struktury ke stranám, což vede ke zvýšení rozptylu. K tomuto jevu dochází v důsledku výskytu malých narušení technologie během výroby, jakož i stárnutí optických materiálů během provozu a některých dalších faktorů.

Hliníkový nebo mosazný pás může být umístěn ve spodní části pouzdra a slouží jako chladič pro odvádění tepla generovaného během průchodu elektrického proudu.

Tento princip designu je rozšířený. Na jeho základě jsou také vytvářeny další polovodičové světelné zdroje pomocí jiných forem strukturálních prvků.

Principy vyzařování světla

Polovodičové spojení typu p-n je připojeno ke zdroji konstantního napětí v souladu s polaritou svorek.

Uvnitř kontaktní vrstvy látek typu p a n se při svém působení začíná pohybovat záporně nabité elektrony a díry, které mají pozitivní nábojové znaménko. Tyto částice jsou směrovány k jejich pólům.

V přechodové vrstvě se náboje rekombinují. Elektrony přecházejí z dirigentského pásma do valenčního pásma a překonávají Fermiho úroveň.

Díky tomu se část jejich energie uvolňuje uvolněním světelných vln různých spekter a jasu. Frekvence vln a reprodukce barev závisí na typu smíšených materiálů, z nichž je vyrobena p-n křižovatka.

Pro vyzařování světla uvnitř aktivní zóny polovodiče musí být splněny dvě podmínky:

1. šířka zakázané zóny v aktivní oblasti by měla být v blízkosti kmitočtu viditelného pro lidské oko blízko energii emitované kvanty;

2. Čistota materiálů polovodičového krystalu musí být vysoká a počet defektů ovlivňujících proces rekombinace je minimální možný.

Tento obtížný technický problém je vyřešen několika způsoby. Jednou z nich je vytvoření několika vrstev p-n křižovatek, když se vytvoří složitá heterostruktura.

Teplotní efekt

Jak se úroveň zdrojového napětí zvyšuje, proud procházející polovodičovou vrstvou se zvyšuje a zvyšuje se luminiscence: do rekombinační zóny vstupuje zvýšený počet nábojů za jednotku času. Současně se zahřívají prvky přenášející proud. Jeho hodnota je kritická pro materiál vnitřních proudových vodičů a podstatu pn křižovatky. Nadměrné teploty je mohou poškodit, zničit.

Uvnitř LED dioda energie elektrického proudu přechází do světla přímo, bez zbytečných procesů: ne jako u žárovek s žárovkami. V tomto případě vznikají minimální ztráty užitečné energie v důsledku nízkého zahřívání vodivých prvků.

Díky tomu se vytváří vysoká účinnost těchto zdrojů. Lze je však použít pouze tam, kde je chráněna samotná konstrukce, blokována před vnějším ohřevem.

Vlastnosti světelných efektů

Při rekombinaci otvorů a elektronů v různých složeních spojovacích látek pn dochází k nerovnoměrné emisi světla. Obvykle je charakterizovat parametrem kvantového výtěžku - počtem extrahovaných světelných kvanta pro jednu rekombinovanou dvojici nábojů.

Je tvořen a vyskytuje se ve dvou úrovních LED:

1. uvnitř samotné polovodičové křižovatky - vnitřní;

2. v konstrukci celé LED jako celku - vnější.

Na první úrovni může kvantový výtěžek správně provedených monokrystalů dosáhnout hodnoty blízké 100%. K zajištění tohoto ukazatele je však třeba vytvořit velké proudy a silný odvod tepla.

Uvnitř samotného zdroje je na druhé úrovni část světla rozptýlena a absorbována strukturálními prvky, což snižuje celkovou účinnost záření. Maximální hodnota kvantového výnosu je mnohem menší. U LED emitujících červené spektrum nedosahuje více než 55%, zatímco u modré klesá ještě více - až 35%.

Druhy propustnosti barevného světla

Moderní LED diody vyzařují:

• žlutá:

• zelená

• červená

• modrá

• modrá

• bílé světlo.

Žluté zelené, žluté a červené spektrum

Spojení pn je založeno na fosfidech a arsenidech gallia. Tato technologie byla implementována na konci 60. let pro ukazatele elektronických zařízení a ovládací panely dopravních zařízení, billboardy.

Taková světelná zařízení okamžitě předběhla hlavní světelné zdroje té doby - žárovky a překonala je ve spolehlivosti, zdroji a bezpečnosti.

Modré spektrum

Vysílače modrých, modrozelených a zejména bílých spekter se dlouhodobě nedotkly praktické implementace kvůli obtížím složitého řešení dvou technických problémů:

1. omezená velikost zakázané zóny, ve které se provádí rekombinace;

2. vysoké požadavky na obsah nečistot.

Pro každý krok zvyšování jasu modrého spektra bylo vyžadováno zvýšení energie quanta v důsledku rozšíření šířky zakázané zóny.

Tento problém byl vyřešen zahrnutím karbidů křemíku SiC nebo nitridů do polovodičové látky. Ukázalo se však, že vývoj první skupiny má příliš nízkou účinnost a malý výtěžek kvantového záření pro jeden rekombinovaný pár nábojů.

Zahrnutí pevných roztoků selenidu zinečnatého do polovodičového spojení pomohlo zvýšit kvantový výtěžek. Avšak takové LED diody měly na křižovatce zvýšený elektrický odpor.Kvůli tomu se přehřáli a rychle shořeli a složité struktury při výrobě odvodu tepla pro ně nefungovaly efektivně.

Poprvé byla vytvořena modrá LED s použitím tenkých vrstev nitridu gallia naneseného na safírovém substrátu.

Bílé spektrum

Chcete-li jej získat, použijte jednu ze tří vyvinutých technologií:

1. míchání barev podle metody RGB;

2. nanesení tří vrstev červeného, ​​zeleného a modrého fosforu na ultrafialovou LED;

3. potahování modré LED vrstvami žluto-zelené a zeleno-červené fosforu.

V první metodě jsou tři monokrystaly umístěny na jednu matici najednou, z nichž každý emituje své vlastní RGB spektrum. Díky designu optického systému založeného na objektivu jsou tyto barvy smíšené a výsledným výstupem je celkový bílý odstín.

V alternativní metodě dochází k míchání barev v důsledku postupného ozáření třemi složkami fosforového záření ultrafialovým zářením.

Vlastnosti technologie bílého spektra

Technika RGB

To vám umožní:

• zahrnout různé kombinace monokrystalů do algoritmu řízení osvětlení, spojovat je střídavě ručně nebo s automatickým programem;

• způsobují různé barevné odstíny, které se v průběhu času mění;

• vytvořit velkolepé osvětlovací systémy pro reklamu.

Jednoduchý příklad takové implementace je barevné vánoční girlandy. Podobné algoritmy jsou také široce používány designéry.

Nevýhody LED RGB jsou:

• heterogenní barva světelné skvrny ve středu a na okrajích;

• nerovnoměrné zahřívání a odvádění tepla z povrchu matrice, což vede k různým rychlostem stárnutí křižovatek p-n, ovlivňuje vyvážení barev a mění celkovou kvalitu bílého spektra.

Tyto nevýhody jsou způsobeny různým uspořádáním monokrystalů na povrchu základny. Je obtížné je opravit a konfigurovat. Díky této technologii patří modely RGB k nejsložitějším a nejdražším návrhům.

LED diody s fosforem

Jsou jednodušší v designu, levnější k výrobě, úspornější při přeměně na jednotky záření světelného toku.

Vyznačují se nevýhodami:

• ve fosforové vrstvě dochází ke ztrátám světelné energie, které snižují světelný výkon;

• složitost technologie pro aplikaci jednotné vrstvy fosforu ovlivňuje kvalitu barevné teploty;

• Fosfor má kratší životnost než samotná LED a při použití stárne rychleji.

Vlastnosti LED různých provedení

Fosforové modely a produkty RGB jsou vytvořeny pro různé průmyslové a domácí aplikace.

Metody výživy

Indikátor LED prvního uvolňování hmoty spotřeboval asi 15 mA při napájení z nepatrně nižší hodnoty než dva volty konstantního napětí. Moderní výrobky mají vylepšené vlastnosti: až čtyři volty a 50 mA.

LED diody pro osvětlení jsou napájeny stejným napětím, ale již spotřebují několik stovek miliampérů. Výrobci nyní aktivně vyvíjejí a navrhují zařízení do 1 A.

Aby se zvýšila účinnost světelného výkonu, vytvářejí se LED moduly, které mohou používat sekvenční napájení každého prvku. V tomto případě se jeho hodnota zvýší na 12 nebo 24 V.

Při přivedení napětí na LED musí být brána v úvahu polarita. Když je přerušeno, proud nepřechází a nebude záře. Je-li použit střídavý sinusový signál, pak k záři dochází pouze při přenosu kladné půlvlny. Navíc se její síla úměrně mění podle zákona o vzhledu odpovídající proudové velikosti s polárním směrem.

Je třeba poznamenat, že při zpětném napětí je možné přerušit polovodičové spojení. Vyskytuje se při překročení 5 V na jednom krystalu.

Metody řízení

K úpravě jasu emitovaného světla se používá jedna ze dvou metod řízení:

1. velikost připojeného napětí;

2. pomocí Modulace šířky pulsu - PWM.

První metoda je jednoduchá, ale neefektivní. Když úroveň napětí klesne pod určitou prahovou hodnotu, může LED jednoduše zhasnout.

Metoda PWM tento jev eliminuje, ale při technické realizaci je mnohem složitější. Proud procházející polovodičovým spojem monokrystalu není dodáván konstantním tvarem, ale pulzní vysokou frekvencí s hodnotou od několika stovek do tisíc hertzů.

Změnou šířky pulzů a pauzy mezi nimi (proces se nazývá modulace) se jas záře upravuje v širokém rozmezí. Tvorba těchto proudů monokrystaly je prováděna speciálními programovatelnými řídicími jednotkami s komplexními algoritmy.

Emisní spektrum

Frekvence záření vycházejícího z LED leží ve velmi úzké oblasti. Říká se tomu monochromatické. Zásadně se liší od spektra vln vyzařovaných ze Slunce nebo žárovek obyčejných žárovek.

O dopadu takového osvětlení na lidské oko se hodně diskutuje. Výsledky seriózních vědeckých analýz tohoto problému nám však nejsou známy.

Výroba

Při výrobě LED se používá pouze automatická linka, ve které robotické stroje pracují podle předem navržené technologie.

Fyzická manuální práce člověka je z výrobního procesu zcela vyloučena.

Vyškolení odborníci provádějí pouze kontrolu nad správným postupem technologie.

Analýza kvality výrobků je také jejich odpovědností.