Comment les LED sont disposées et fonctionnent

Les dispositifs semi-conducteurs électroluminescents sont largement utilisés pour les systèmes d'éclairage et comme indicateurs de courant électrique. Ils concernent les appareils électroniques fonctionnant sous la tension appliquée.

Étant donné que sa valeur est insignifiante, ces sources appartiennent à des appareils à basse tension, elles ont un degré de sécurité accru en ce qui concerne l'effet du courant électrique sur le corps humain. Les risques de blessures augmentent lorsque des sources de tension accrue, par exemple, un réseau domestique domestique, qui nécessitent l'inclusion d'alimentations spéciales dans le circuit, sont utilisées pour les éclairer.

Une caractéristique distinctive de la conception de la LED est une résistance mécanique plus élevée du boîtier que celle des lampes Illich et fluorescentes. Avec un bon fonctionnement, ils fonctionnent longtemps et de manière fiable. Leur ressource est 100 fois supérieure à celle des filaments incandescents, atteignant cent mille heures.

Cependant, cet indicateur est caractéristique des conceptions d'indicateurs. Les sources de forte puissance utilisent des courants élevés pour l'éclairage et la durée de vie est réduite de 2 à 5 fois.

Dispositif LED

Une LED indicatrice conventionnelle est réalisée dans un boîtier époxy d'un diamètre de 5 mm et deux fils de contact pour la connexion aux circuits de courant électrique: anode et cathode. Visuellement, ils diffèrent en longueur. Le nouveau dispositif sans contacts coupés a une cathode plus courte.

Une règle simple permet de se souvenir de cette position: les deux mots commencent par la lettre «K»:

• cathode;

• en bref.

Lorsque les pattes de la LED sont coupées, l'anode peut être déterminée en appliquant 1,5 volts de tension d'une simple pile à doigt aux contacts: la lumière apparaît lorsque les polarités coïncident.

Le monocristal actif électroluminescent d'un semi-conducteur a la forme d'un parallélépipède rectangulaire. Il est placé à proximité d'un réflecteur parabolique en alliage d'aluminium et monté sur un substrat aux propriétés non conductrices.

Au bout d'un boîtier transparent transparent en matériaux polymères, il y a une lentille focalisant les rayons lumineux. Il forme avec le réflecteur un système optique qui forme l'angle du flux de rayonnement. Il se caractérise par le modèle de directivité de la LED.

Il caractérise la déviation de la lumière de l'axe géométrique de la structure globale vers les côtés, ce qui entraîne une augmentation de la diffusion. Ce phénomène se produit en raison de l'apparition de petites violations de la technologie pendant la production, ainsi que du vieillissement des matériaux optiques pendant le fonctionnement et de certains autres facteurs.

Une ceinture en aluminium ou en laiton peut être située au bas du boîtier, servant de radiateur pour évacuer la chaleur générée lors du passage du courant électrique.

Ce principe de conception est répandu. Sur sa base, d'autres sources de lumière semi-conductrices sont également créées en utilisant d'autres formes d'éléments structurels.

Principes d'émission lumineuse

La jonction semi-conductrice de type p-n est connectée à une source de tension constante en fonction de la polarité des bornes.

A l'intérieur de la couche de contact des substances de type p et n, sous son action, commence le mouvement des électrons et des trous chargés négativement libres, qui ont un signe de charge positif. Ces particules sont dirigées vers leurs pôles.

Dans la couche de transition, les charges se recombinent. Les électrons passent de la bande de conduction à la bande de valence, surmontant le niveau de Fermi.

Pour cette raison, une partie de leur énergie est libérée avec la libération d'ondes lumineuses de divers spectres et luminosité. La fréquence des vagues et la reproduction des couleurs dépendent du type de matériaux mélangés dont elles sont faites jonction p-n.

Pour un rayonnement de lumière à l'intérieur de la zone active d'un semi-conducteur, deux conditions doivent être remplies:

1. l'espace de la zone interdite en largeur dans la région active doit être proche de l'énergie des quanta émis dans la gamme de fréquences visible à l'œil humain;

2. La pureté des matériaux du cristal semi-conducteur doit être élevée et le nombre de défauts affectant le processus de recombinaison est le minimum possible.

Ce problème technique difficile est résolu de plusieurs manières. L'un d'eux est la création de plusieurs couches de jonctions p-n lorsqu'une hétérostructure complexe est formée.

Effet de la température

Lorsque le niveau de tension de la source augmente, le courant à travers la couche semi-conductrice augmente et la luminescence augmente: un nombre accru de charges par unité de temps pénètre dans la zone de recombinaison. Dans le même temps, les éléments porteurs de courant sont chauffés. Sa valeur est critique pour le matériau des conducteurs de courant internes et la substance de la jonction pn. Des températures excessives peuvent les endommager, les détruire.

À l'intérieur des LED, l'énergie du courant électrique passe directement dans la lumière, sans processus inutiles: pas comme avec des lampes à filaments incandescents. Dans ce cas, des pertes minimales de puissance utile se forment en raison du faible échauffement des éléments conducteurs.

De ce fait, une efficacité élevée de ces sources est créée. Mais, ils ne peuvent être utilisés que là où la structure elle-même est protégée, bloquée du chauffage extérieur.

Caractéristiques des effets d'éclairage

Lors de la recombinaison des trous et des électrons dans différentes compositions des substances de jonction pn, une émission lumineuse inégale est créée. Il est habituel de le caractériser par le paramètre du rendement quantique - le nombre de quanta de lumière extraits pour une seule paire de charges recombinées.

Il est formé et se produit à deux niveaux de la LED:

1. à l'intérieur de la jonction semi-conductrice elle-même - interne;

2. dans la conception de l'ensemble de la LED dans son ensemble - externe.

Au premier niveau, le rendement quantique des monocristaux correctement exécutés peut atteindre une valeur proche de 100%. Mais, pour assurer cet indicateur, il est nécessaire de créer de grands courants et une puissante dissipation thermique.

À l'intérieur de la source elle-même, au deuxième niveau, une partie de la lumière est diffusée et absorbée par les éléments structurels, ce qui réduit l'efficacité globale du rayonnement. La valeur maximale du rendement quantique est bien inférieure. Pour les LED émettant un spectre rouge, il n'atteint pas plus de 55%, et pour le bleu, il diminue encore plus - jusqu'à 35%.

Types de transmission de la lumière couleur

Les LED modernes émettent:

• jaune:

• vert

• rouge

• bleu

• bleu

• lumière blanche.

Spectre jaune vert, jaune et rouge

La jonction pn est basée sur les phosphures et les arséniures de gallium. Cette technologie a été mise en œuvre à la fin des années 60 pour les indicateurs d'appareils électroniques et les panneaux de commande des équipements de transport, les panneaux d'affichage.

De tels dispositifs de sortie de lumière ont immédiatement dépassé les principales sources lumineuses de l'époque - les lampes à incandescence et les ont dépassés en termes de fiabilité, de ressources et de sécurité.

Spectre bleu

Les émetteurs des spectres bleu, bleu-vert et surtout blanc ne se sont pas longtemps prêtés à une mise en œuvre pratique en raison des difficultés de solution complexe de deux problèmes techniques:

1. taille limitée de la zone interdite dans laquelle la recombinaison est effectuée;

2. exigences élevées pour la teneur en impuretés.

Pour chaque étape d'augmentation de la luminosité du spectre bleu, une augmentation de l'énergie des quanta était nécessaire en raison de l'élargissement de la largeur de la zone interdite.

Le problème a été résolu par l'inclusion de carbures de silicium SiC ou de nitrures dans la substance semi-conductrice. Mais, les développements du premier groupe se sont avérés avoir une efficacité trop faible et un faible rendement de rayonnement quantique pour une paire de charges recombinées.

L'inclusion de solutions solides de séléniure de zinc dans la jonction semi-conductrice a contribué à augmenter le rendement quantique. Mais, ces LED avaient une résistance électrique accrue à la jonction.Pour cette raison, ils ont surchauffé et brûlé rapidement, et les structures complexes dans la fabrication de l'évacuation de chaleur pour eux n'ont pas fonctionné efficacement.

Pour la première fois, une LED bleue a été créée à partir de films minces de nitrure de gallium déposés sur un substrat en saphir.

Spectre blanc

Pour l'obtenir, utilisez l'une des trois technologies développées:

1. mélange de couleurs selon la méthode RVB;

2. appliquer trois couches de phosphore rouge, vert et bleu à la LED ultraviolette;

3. revêtement de la LED bleue avec des couches de phosphore jaune-vert et vert-rouge.

Dans la première méthode, trois monocristaux sont placés sur une seule matrice à la fois, chacun émettant son propre spectre RVB. En raison de la conception du système optique basé sur l'objectif, ces couleurs sont mélangées et la sortie résultante est une teinte blanche.

Dans une méthode alternative, le mélange des couleurs se produit en raison de l'irradiation successive avec un rayonnement ultraviolet des trois couches de phosphore constitutives.

Caractéristiques de la technologie du spectre blanc

Technique RVB

Il vous permet de:

• impliquer diverses combinaisons de monocristaux dans l'algorithme de contrôle d'éclairage, en les connectant alternativement manuellement ou avec un programme automatisé;

• provoquer diverses nuances de couleurs qui changent au fil du temps;

• créer des systèmes d'éclairage spectaculaires pour la publicité.

Un exemple simple d'une telle implémentation est guirlandes de Noël de couleur. Des algorithmes similaires sont également largement utilisés par les concepteurs.

Les inconvénients des LED RGB sont:

• couleur hétérogène de la tache lumineuse au centre et sur les bords;

• un chauffage et une évacuation de chaleur inégaux de la surface de la matrice, conduisant à des taux de vieillissement différents des jonctions p-n, affectant l'équilibrage des couleurs, modifiant la qualité globale du spectre blanc.

Ces inconvénients sont causés par la disposition différente des monocristaux sur la surface de base. Ils sont difficiles à réparer et à configurer. En raison de cette technologie, les modèles RVB sont parmi les conceptions les plus complexes et les plus coûteuses.

LED avec phosphore

Ils sont de conception plus simple, moins chers à fabriquer, plus économiques lorsqu'ils sont convertis en unités de rayonnement de flux lumineux.

Ils se caractérisent par des inconvénients:

• dans la couche de phosphore, il y a des pertes d'énergie lumineuse, ce qui réduit le flux lumineux;

• la complexité de la technologie d'application d'une couche de phosphore uniforme affecte la qualité de la température de couleur;

• Le phosphore a une durée de vie plus courte que la LED elle-même et vieillit plus rapidement pendant l'utilisation.

Caractéristiques des LED de différents modèles

Des modèles au phosphore et des produits RVB sont créés pour diverses applications industrielles et domestiques.

Méthodes de nutrition

La LED indicatrice des premiers déclencheurs de masse consommait environ 15 mA lorsqu'elle était alimentée à partir d'une valeur légèrement inférieure à deux volts de tension constante. Les produits modernes ont des caractéristiques améliorées: jusqu'à quatre volts et 50 mA.

Les LED d'éclairage sont alimentées par la même tension, mais consomment déjà plusieurs centaines de milliampères. Les fabricants développent et conçoivent activement des appareils jusqu'à 1 A.

Afin d'augmenter l'efficacité du rendement lumineux, des modules LED sont créés qui peuvent utiliser une alimentation en tension séquentielle pour chaque élément. Dans ce cas, sa valeur augmente à 12 ou 24 volts.

Lors de l'application d'une tension à la LED, la polarité doit être prise en compte. Lorsqu'il est rompu, le courant ne passe pas et il n'y aura pas de lueur. Si un signal sinusoïdal alternatif est utilisé, alors la lueur ne se produit que lorsqu'une demi-onde positive passe. De plus, sa force change également proportionnellement selon la loi d'apparition de l'intensité de courant correspondante avec une direction polaire.

Il convient de garder à l'esprit qu'avec une tension inverse, une rupture de la jonction semi-conductrice est possible. Il se produit lorsque vous dépassez 5 volts sur un seul cristal.

Méthodes de gestion

Pour régler la luminosité de la lumière émise, l'une des deux méthodes de contrôle est utilisée:

1. l'amplitude de la tension connectée;

2. en utilisant Modulation de largeur d'impulsion - PWM.

La première méthode est simple mais inefficace. Lorsque le niveau de tension tombe en dessous d'un certain seuil, la LED peut simplement s'éteindre.

La méthode PWM élimine ce phénomène, mais elle est beaucoup plus compliquée dans la mise en œuvre technique. Le courant traversant la jonction semi-conductrice du monocristal est fourni non pas par une forme constante, mais par une haute fréquence pulsée d'une valeur de plusieurs centaines à mille hertz.

En modifiant la largeur des impulsions et les pauses entre elles (le processus est appelé modulation), la luminosité de la lueur est ajustée sur une large plage. La formation de ces courants à travers des monocristaux est réalisée par des unités de contrôle programmables spéciales avec des algorithmes complexes.

Spectre d'émission

La fréquence du rayonnement sortant de la LED se situe dans une région très étroite. Il est appelé monochromatique. Il est fondamentalement différent du spectre des ondes émanant du Soleil ou des filaments incandescents des ampoules ordinaires.

Il y a beaucoup de discussions sur l'effet d'un tel éclairage sur l'œil humain. Cependant, les résultats d'analyses scientifiques sérieuses de cette question nous sont inconnus.

La production

Dans la fabrication des LED, seule une ligne automatique est utilisée, dans laquelle les machines robots fonctionnent selon une technologie préconçue.

Le travail manuel physique d'une personne est complètement exclu du processus de production.

Des spécialistes formés ne contrôlent que le bon déroulement de la technologie.

L'analyse de la qualité des produits relève également de leur responsabilité.