Jak diody LED są rozmieszczone i działają

Emitujące światło urządzenia półprzewodnikowe są szeroko stosowane w systemach oświetleniowych i jako wskaźniki prądu elektrycznego. Dotyczą one urządzeń elektronicznych działających pod przyłożonym napięciem.

Ponieważ jego wartość jest nieznaczna, takie źródła należą do urządzeń niskonapięciowych, mają one wyższy stopień bezpieczeństwa w odniesieniu do wpływu prądu elektrycznego na ludzkie ciało. Ryzyko urazów wzrasta, gdy do ich oświetlenia wykorzystywane są źródła o podwyższonym napięciu, na przykład domowa sieć domowa, która wymaga włączenia specjalnych zasilaczy do obwodu.

Charakterystyczną cechą konstrukcji LED jest wyższa wytrzymałość mechaniczna obudowy niż w przypadku lamp Illich i świetlówek. Przy prawidłowym działaniu działają długo i niezawodnie. Ich zasoby są 100 razy większe niż żarowe włókna, osiągając sto tysięcy godzin.

Jednak ten wskaźnik jest charakterystyczny dla projektów wskaźników. Źródła dużej mocy wykorzystują wysokie prądy do oświetlenia, a żywotność zmniejsza się 2–5 razy.

Urządzenie LED

Konwencjonalna dioda wskaźnikowa wykonana jest w obudowie epoksydowej o średnicy 5 mm i dwóch przewodach stykowych do podłączenia do obwodów prądu elektrycznego: anoda i katoda. Różnią się one wizualnie długością. W przypadku nowego urządzenia bez rozciętych styków katoda jest krótsza.

Prosta reguła pomaga zapamiętać tę pozycję: oba słowa zaczynają się na literę „K”:

• katoda;

• w skrócie.

Po odcięciu nóżek diody LED anodę można wyznaczyć, przykładając 1,5 styku napięcia z baterii prostego palca do styków: światło pojawia się, gdy polaryzacje się pokrywają.

Aktywny pojedynczy kryształ emitujący światło półprzewodnika ma kształt prostokątnej równoległościanu. Jest on umieszczony w pobliżu reflektora parabolicznego wykonanego ze stopu aluminium i zamontowany na podłożu o właściwościach nieprzewodzących.

Na końcu przezroczystej przezroczystej obudowy wykonanej z materiałów polimerowych znajduje się soczewka skupiająca promienie świetlne. Wraz z odbłyśnikiem tworzy układ optyczny, który tworzy kąt strumienia promieniowania. Charakteryzuje się kierunkowością diody LED.

Charakteryzuje on odchylenie światła od geometrycznej osi ogólnej struktury na boki, co prowadzi do wzrostu rozproszenia. Zjawisko to występuje z powodu pojawienia się niewielkich naruszeń technologii podczas produkcji, a także starzenia się materiałów optycznych podczas pracy i niektórych innych czynników.

Aluminiowy lub mosiężny pas może być umieszczony na dole obudowy, służąc jako grzejnik do usuwania ciepła wytwarzanego podczas przepływu prądu elektrycznego.

Ta zasada projektowania jest szeroko rozpowszechniona. Na jego podstawie tworzone są również inne półprzewodnikowe źródła światła przy użyciu innych form elementów konstrukcyjnych.

Zasady emisji światła

Złącze półprzewodnikowe typu p-n jest podłączone do źródła stałego napięcia zgodnie z biegunowością zacisków.

Wewnątrz warstwy kontaktowej substancji typu p i n pod jej działaniem rozpoczyna się ruch wolnych ujemnie naładowanych elektronów i dziur, które mają znak ładunku dodatniego. Cząstki te są skierowane w kierunku swoich biegunów.

W warstwie przejściowej ładunki ponownie się łączą. Elektrony przechodzą z pasma przewodnictwa do pasma walencyjnego, przekraczając poziom Fermiego.

Z tego powodu część ich energii jest uwalniana wraz z uwalnianiem fal świetlnych o różnych widmach i jasności. Częstotliwość fali i odwzorowanie kolorów zależą od rodzaju mieszanych materiałów, z których jest wykonany złącze p-n.

Aby promieniować światło w strefie aktywnej półprzewodnika, muszą być spełnione dwa warunki:

1) przestrzeń strefy zabronionej na szerokość w obszarze aktywnym powinna być zbliżona do energii emitowanych kwantów w zakresie częstotliwości widocznym dla ludzkiego oka;

2. Czystość materiałów kryształu półprzewodnikowego musi być wysoka, a liczba wad wpływających na proces rekombinacji jest jak najmniejsza.

Ten trudny problem techniczny rozwiązano na kilka sposobów. Jednym z nich jest utworzenie kilku warstw połączeń p-n, gdy powstaje złożona heterostruktura.

Wpływ temperatury

W miarę wzrostu poziomu napięcia źródła wzrasta prąd w warstwie półprzewodnikowej i rośnie luminescencja: większa liczba ładunków na jednostkę czasu wchodzi do strefy rekombinacji. Jednocześnie elementy przewodzące prąd są podgrzewane. Jego wartość ma krytyczne znaczenie dla materiału wewnętrznych przewodów prądowych i substancji złącza pn. Nadmierne temperatury mogą je uszkodzić, zniszczyć.

Wewnątrz diod LED energia prądu elektrycznego przechodzi bezpośrednio do światła, bez zbędnych procesów: nie tak jak w przypadku lamp z żarowymi żarnikami. W tym przypadku powstają minimalne straty mocy użytecznej z powodu niskiego nagrzewania elementów przewodzących.

Z tego powodu powstaje wysoka wydajność tych źródeł. Ale można ich używać tylko wtedy, gdy sama konstrukcja jest chroniona, zablokowana przed zewnętrznym ogrzewaniem.

Funkcje efektów świetlnych

Po rekombinacji dziur i elektronów w różnych składach substancji łączących pn powstaje nierówna emisja światła. Zwyczajowo charakteryzuje się go parametrem wydajności kwantowej - liczbą wydobytych kwantów świetlnych dla jednej rekombinowanej pary ładunków.

Powstaje i występuje na dwóch poziomach diody LED:

1. w samym złączu półprzewodnikowym - wewnętrzne;

2. w projekcie całej diody LED jako całości - zewnętrznej.

Na pierwszym poziomie wydajność kwantowa prawidłowo wykonanych monokryształów może osiągnąć wartość zbliżoną do 100%. Ale aby zapewnić ten wskaźnik, konieczne jest wytworzenie dużych prądów i silne rozpraszanie ciepła.

Wewnątrz samego źródła, na drugim poziomie, część światła jest rozpraszana i absorbowana przez elementy konstrukcyjne, co zmniejsza ogólną wydajność promieniowania. Maksymalna wartość wydajności kwantowej jest znacznie mniejsza. W przypadku diod LED emitujących czerwone widmo osiąga nie więcej niż 55%, podczas gdy dla niebieskiego zmniejsza się jeszcze bardziej - nawet do 35%.

Rodzaje przepuszczalności światła kolorowego

Nowoczesne diody LED emitują:

• żółty:

• zielony

• czerwony

• niebieski

• niebieski

• białe światło.

Widmo żółte, zielone, żółte i czerwone

Złącze pn jest oparte na fosforkach galu i arsenach. Technologia ta została wdrożona pod koniec lat 60. dla wskaźników urządzeń elektronicznych i paneli kontrolnych urządzeń transportowych, billboardów.

Takie urządzenia wyjściowe światła natychmiast wyprzedziły główne źródła światła tamtych czasów - lampy żarowe i przewyższyły je niezawodnością, zasobami i bezpieczeństwem.

Niebieskie spektrum

Emitery widma niebieskiego, niebiesko-zielonego, a zwłaszcza białego, przez długi czas nie nadawały się do praktycznego wdrożenia z powodu trudności w złożonym rozwiązaniu dwóch problemów technicznych:

1. ograniczony rozmiar zakazanej strefy, w której przeprowadzana jest rekombinacja;

2. wysokie wymagania dotyczące zawartości zanieczyszczeń.

Na każdym etapie zwiększania jasności widma niebieskiego wymagany był wzrost energii kwantów ze względu na rozszerzenie szerokości zabronionej strefy.

Problem rozwiązano przez włączenie węglików krzemu SiC lub azotków do substancji półprzewodnikowej. Jednak rozwój pierwszej grupy okazał się mieć zbyt niską wydajność i niewielką wydajność promieniowania kwantowego dla jednej zrekombinowanej pary ładunków.

Włączenie stałych roztworów selenku cynku do złącza półprzewodnikowego pomogło zwiększyć wydajność kwantową. Ale takie diody LED miały zwiększony opór elektryczny na skrzyżowaniu.Z tego powodu przegrzały się i szybko wypaliły, a złożone struktury w produkcji usuwania ciepła dla nich nie działały skutecznie.

Po raz pierwszy stworzono niebieską diodę LED przy użyciu cienkich warstw azotku galu osadzonych na podłożu szafirowym.

Białe spektrum

Aby go uzyskać, użyj jednej z trzech opracowanych technologii:

1. mieszanie kolorów zgodnie z metodą RGB;

2. nałożenie trzech warstw czerwonego, zielonego i niebieskiego luminoforu na ultrafioletowe diody LED;

3. powlekanie niebieskiej diody LED warstwami żółto-zielonego i zielono-czerwonego fosforu.

W pierwszej metodzie trzy pojedyncze kryształy są umieszczane jednocześnie na jednej matrycy, z których każdy emituje własne widmo RGB. Ze względu na konstrukcję układu optycznego opartego na soczewkach kolory te są mieszane, a uzyskany efekt stanowi całkowity biały odcień.

W metodzie alternatywnej mieszanie kolorów następuje z powodu kolejnego napromieniowania promieniowaniem ultrafioletowym trzech składowych warstw luminoforu.

Funkcje technologii białego spektrum

Technika RGB

Pozwala na:

• angażować różne kombinacje monokryształów w algorytmie sterowania oświetleniem, łącząc je naprzemiennie ręcznie lub za pomocą automatycznego programu;

• powodować różne odcienie kolorów, które zmieniają się w czasie;

• stworzyć spektakularne systemy oświetleniowe do reklamy.

Prostym przykładem takiej implementacji jest kolorowe girlandy świąteczne. Podobne algorytmy są również szeroko stosowane przez projektantów.

Wady diod RGB LED to:

• niejednorodny kolor plamki świetlnej w środku i na krawędziach;

• nierównomierne ogrzewanie i odprowadzanie ciepła z powierzchni matrycy, co prowadzi do różnych szybkości starzenia połączeń p-n, wpływając na równoważenie kolorów, zmieniając ogólną jakość białego spektrum.

Te wady są spowodowane odmiennym rozmieszczeniem monokryształów na powierzchni podstawy. Trudno je naprawić i skonfigurować. Dzięki tej technologii modele RGB należą do najbardziej złożonych i kosztownych projektów.

Diody LED z luminoforem

Są prostsze w konstrukcji, tańsze w produkcji, bardziej ekonomiczne w przeliczeniu na jednostki promieniowania strumienia świetlnego.

Charakteryzują się wadami:

• w warstwie luminoforu występują straty energii świetlnej, które zmniejszają strumień świetlny;

• złożoność technologii nakładania jednolitej warstwy luminoforu wpływa na jakość temperatury barwowej;

• Luminofor ma krótszą żywotność niż sama dioda LED i starzeje się szybciej podczas użytkowania.

Cechy diod LED o różnych wzorach

Modele fosforowe i produkty RGB są tworzone do różnych zastosowań przemysłowych i domowych.

Metody żywienia

Wskaźnik LED pierwszych uwolnień masy zużywał około 15 mA, gdy był zasilany z nieco niższej wartości niż dwa wolty stałego napięcia. Nowoczesne produkty mają ulepszone właściwości: do czterech woltów i 50 mA.

Diody LED do oświetlenia są zasilane tym samym napięciem, ale zużywają już kilkaset miliamperów. Producenci aktywnie opracowują i projektują urządzenia do 1 A.

W celu zwiększenia wydajności strumienia świetlnego tworzone są moduły LED, które mogą wykorzystywać sekwencyjne zasilanie napięciem do każdego elementu. W takim przypadku jego wartość wzrasta do 12 lub 24 woltów.

Przy przykładaniu napięcia do diody LED należy wziąć pod uwagę polaryzację. Po rozbiciu prąd nie przechodzi i nie będzie świecić. Jeśli zostanie zastosowany przemienny sygnał sinusoidalny, wówczas blask pojawia się tylko wtedy, gdy transmitowana jest dodatnia półfala. Co więcej, jego siła zmienia się również proporcjonalnie zgodnie z prawem pojawienia się odpowiedniej wielkości prądu w kierunku biegunowym.

Należy zauważyć, że przy napięciu odwrotnym możliwe jest uszkodzenie złącza półprzewodnikowego. Występuje przy przekroczeniu 5 woltów na jednym pojedynczym krysztale.

Sposoby zarządzania

Aby dostosować jasność emitowanego światła, stosuje się jedną z dwóch metod sterowania:

1. wielkość podłączonego napięcia;

2. za pomocą Modulacja szerokości impulsu - PWM.

Pierwsza metoda jest prosta, ale nieefektywna. Gdy poziom napięcia spadnie poniżej określonego progu, dioda LED może po prostu zgasnąć.

Metoda PWM eliminuje to zjawisko, ale jest znacznie bardziej skomplikowana w realizacji technicznej. Prąd przepływający przez złącze półprzewodnikowe pojedynczego kryształu jest dostarczany nie przez stały kształt, ale przez pulsującą wysoką częstotliwość o wartości od kilkuset do tysiąca herców.

Zmieniając szerokość impulsów i przerwy między nimi (proces ten nazywa się modulacją), jasność jarzenia jest regulowana w szerokim zakresie. Formowanie tych prądów przez pojedyncze kryształy odbywa się za pomocą specjalnych programowalnych jednostek sterujących ze złożonymi algorytmami.

Widmo emisji

Częstotliwość promieniowania wychodzącego z diody LED leży w bardzo wąskim obszarze. Nazywa się to monochromatycznym. Zasadniczo różni się od widma falowego emitowanego przez Słońce lub żarowych żarówek zwykłych żarówek.

Wiele się mówi o wpływie takiego oświetlenia na ludzkie oko. Jednak wyniki poważnych analiz naukowych tego problemu nie są nam znane.

Produkcja

Do produkcji diod LED stosuje się tylko automatyczną linię, w której maszyny robotów działają zgodnie z wcześniej zaprojektowaną technologią.

Fizyczna praca fizyczna osoby jest całkowicie wykluczona z procesu produkcyjnego.

Wyszkoleni specjaliści sprawują kontrolę tylko nad prawidłowym przebiegiem technologii.

Ich zadaniem jest także analiza jakości produktów.